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NEWS | 15.04.2021

Zuverlässig messen, ob Flüssen und Seen die Luft ausgeht

Internationale Studie zeigt: Belastung von Süßgewässern mit Fäkalien lässt sich mit neuem Verfahren schneller und zuverlässiger ermitteln

Abwässer tragen große Mengen organischer Substanzen in Flüsse und Seen, die zu starkem Bakterienwachstum und Sauerstoffmangel führen. Bisherige Messverfahren können diese organische Belastung nicht genau bestimmen. Ein neues Verfahren, das von Experten des Helmholtz-Zentrums Hereon, einem Mitglied der DAM,  mitentwickelt wurde, soll künftig ein eindeutiges Bild vom Zustand der Gewässer liefern. Die Arbeit wurde jetzt im Fachmagazin Science Advances veröffentlicht.

Wenn Abwässer aus Dörfern und Städten in Flüsse und Seen fließen, dann gelangen mit den Fäkalien große Mengen an Fetten, Eiweißen, Zuckern und anderen kohlenstoffhaltigen – organischen – Substanzen in die Natur. Diese organischen Substanzen werden von Bakterien abgebaut, die Sauerstoff verbrauchen. Je größer die Abwassermenge ist, desto besser gedeihen die Bakterien. Doch damit nimmt der Sauerstoffgehalt des Wassers immer weiter ab, bis schließlich den Fischen, Muscheln oder Würmern buchstäblich die Luft ausgeht. Weltweit sind dadurch in vielen Flüssen und Seen sauerstoffarme Todeszonen entstanden.

Bislang kein Goldstandard für Messungen

Um zu messen, wie stark die Gewässer mit organischen Stoffen aus Fäkalien belastet sind, nehmen Behörden und Umweltforscher regelmäßig Wasserproben. Weit verbreitet ist eine Messmethode, die mithilfe einer chemischen Reaktion den Gehalt an organischen Substanzen bestimmt. Wie ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern jetzt zeigt, liefert diese etablierte Methode jedoch Werte, aus denen sich der tatsächliche Verschmutzungsgrad des Wassers kaum ableiten lässt. An der Studie, die jetzt im Fachjournal Science Advances erschienen ist, ist auch Prof. Helmuth Thomas, Leiter des Hereon-Instituts für Kohlenstoffkreisläufe, beteiligt. „Wir stellen in dem Artikel deshalb auch eine neue Methode vor, die Messungen künftig sehr viel zuverlässiger macht“, sagt er.

Bei der herkömmlichen Messmethode werden Wasserproben mit den Chemikalien Permanganat oder Dichromat versetzt. Diese sind besonders reaktionsfreudig und bauen in kurzer Zeit alle organischen Substanzen ab. An der Menge des verbrauchten Permanganats oder Dichromats lässt sich dann bestimmen, wie viel organische Substanz in der Wasserprobe enthalten war. Experten sprechen bei dieser Messung vom „Chemischen Sauerstoffbedarf“ (Chemical Oxygen Demand, COD). Das Problem der COD-Messung: Sie unterscheidet nicht zwischen den organischen Stoffen, die mit den Abwässern ins Wasser gelangen, und jenen, die auf natürlichem Wege entstanden sind – etwa Lignin und Huminsäuren, die beim Zerfall von Holz frei werden. Damit lässt sich die Verschmutzung des Wassers kaum vom natürlichen Gehalt an organischen Stoffen unterscheiden. „Für den Han-Fluss in Südkorea etwa haben wir mit unserer neuen Methode herausgefunden, dass die Belastung mit organischen Stoffen aus Abwässern in den vergangenen 25 Jahren abgenommen hat. Die COD-Messungen aber zeigen nach wie vor hohe Werte an“, sagt Helmuth Thomas, „weil hier die natürlichen Substanzen einen Großteil der Organik im Wasser ausmachen.“

Komplizierte biologische Analyse

Wie aber lässt sich die tatsächliche Verschmutzung besser messen? Etabliert ist hier seit Jahrzehnten eine biologische Messmethode, die jedoch sehr viel aufwendiger als die COD-Messung ist und deshalb von Behörden und Forschungseinrichtungen seltener genutzt wird. In diesem Fall wird eine Wasserprobe aus dem Fluss oder See entnommen und der Sauerstoffgehalt des Wassers als Anfangswert gemessen. Eine weitere sogenannte Parallelprobe wird sofort luftdicht verschlossen. Anschließend ruht diese Wasserprobe fünf Tage lang. In dieser Zeit bauen die Bakterien die organische Substanz ab, wobei sie den Sauerstoff im Wasser nach und nach verbrauchen. Nach fünf Tagen wird das Gefäß geöffnet und der Sauerstoff gemessen. Enthält das Wasser viel Organik, waren die Bakterien besonders aktiv. Entsprechend groß war dann der Sauerstoffverbrauch. Experten sprechen bei dieser Messung vom „Biologischen Sauerstoffbedarf“ (Biological Oxygen Demand, BOD). „Die Messung des BOD ist sehr viel genauer als die des COD, weil die Bakterien vorzugsweise die kleinen organischen Moleküle aus dem Abwasser abbauen, aber die natürlichen wie etwa Lignin unangetastet lassen“, sagt Helmuth Thomas. Allerdings habe auch die Messung des BOD ihre Nachteile. Zum einen dauere die BOD-Messung fünf Tage, während der COD-Wert nach wenigen Minuten vorliege. Zum anderen müsse man beim Abfüllen, Lagern und Vermessen der Wasserproben peinlich genau darauf achten, dass kein Sauerstoff aus der Umgebungsluft in die Probe gelange und den Messwert verfälsche. „Das ganze Handling der BOD-Messung beherrschen nur einige wenige Leute mit großer Laborerfahrung“, sagt Helmuth Thomas. „Daher bevorzugen Behörden und Forscher auch heute noch den COD – trotz großer Unsicherheiten.“

Schneller und sicherer messen

Das Team um Helmuth Thomas stellt deshalb eine alternative Methode vor, die die klassische BOD-Messung verbessert. Vorteil der Methode ist, dass nur eine Wasserprobe genommen werden muss, diese sofort verschlossen wird und der Sauerstoffverbrauch ohne Eingriff in die Probe gemessen wird. Es ist dabei nicht notwendig, die Probe nach fünf Tagen erneut zu öffnen, um den Sauerstoffgehalt zu messen. So wird vermieden, dass die Probe erneut mit Luftsauerstoff in Berührung kommt. Beim neuen Ansatz wird gleich beim Abfüllen der Wasserprobe eine optische Faser in das Probengefäß eingeführt. Über diese Faser kann der Sauerstoffgehalt anhand optischer Effekte kontinuierlich direkt in der Probe gemessen werden. Thomas: „Wir können den Sauerstoffgehalt damit nonstop messen und erhalten ein sehr viel genaueres Bild vom Sauerstoffverbrauch durch die Bakterien.“ Erste Versuche haben gezeigt, dass ein aussagekräftiges Ergebnis bereits nach rund 48 Stunden vorliegt, was die BOD-Messung erheblich beschleunigt. Alles in allem macht das optische Verfahren die BOD-Messung also nicht nur zuverlässiger, sondern auch schneller. Helmuth Thomas geht deshalb davon aus, dass sich das neue Verfahren in den kommenden Jahren als neuer Standard etabliert, der sowohl die COD- als auch die klassische BOD-Messung ablösen wird. So kann künftig beispielsweise zuverlässiger als bisher ermittelt werden, ob Maßnahmen zur Gewässerreinhaltung tatsächlich erfolgreich sind.

Originalpublikation

Correcting a major error in assessing organic carbon pollution in natural waters Nianzhi Jiao, Jihua Liu, Bethanie Edwards, Zongqing Lv, Ruanhong Cai, Yongqin Liu, Xilin Xiao, Jianning Wang, Fanglue Jiao, Rui Wang, Xingyu Huang, Bixi Guo, Jia Sun, Rui Zhang, Yao Zhang, Kai Tang, Qiang Zheng, Farooq Azam, John Batt, Wei-Jun Cai, Chen He, Gerhard J. Herndl, Paul Hill, David Hutchins, Julie LaRoche, Marlon Lewis, Hugh MacIntyre, Luca Polimene, Carol Robinson, Quan Shi, Curtis A. Suttle, Helmuth Thomas, Douglas Wallace and Louis Legendre, Sci Adv 7 (16), DOI: 10.1126/sciadv.abc7318

Kontakt

Dr. Helmuth Thomas
Institutsleitung
Institut für Kohlenstoffkreisläufe
Helmholtz-Zentrum Hereon
helmuth.thomas(at)hereon.de

Gesa Seidel
Pressereferentin
Kommunikation und Medien
Helmholtz-Zentrum Hereon
presse(at)hereon.de

Header-Foto: Akash Rai via Unsplash

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