biogene stabilisierung kohäsiver sedimente


Feststoffablagerungen am Grund von natürlichen und künstlichen Gewässern, die sich durch die Sedimentation eingetragenen und autochthonen Materials bilden, werden als Sedimente bezeichnet. Kohäsive, d. h. besonders feinkörnige Sedimente, deren Absetz- und Erosionsverhalten nicht in erster Linie durch die Gravitationskraft, sondern durch interpartikuläre Anziehung und Abstossung kontrolliert werden, sind in tidebeeinflussten Mündungbereichen der großen Ströme (Ästuarien), Talsperren und natürlichen Standgewässern zu finden. Die Transportvorgänge dieser Feinsedimente sind nicht zuletzt deshalb von Bedeutung für die Beurteilung des ökochemischen Zustands der Gewässer, weil bei ihrer Erosion bzw. Resuspension Schadstoffe, wie beispielsweise Schwermetalle, Radionuklide und organische Xenobiotika freigesetzt werden können, die wegen ihrer Adsorptionseigenschaften während des Absetz- und Konsolidationsprozesses in der Feststoffphase akkumuliert werden.

Die Transporteigenschaften des Sohlmaterials, etwa seine Erosionsstabilität, wird neben anderen Faktoren (Konsolidationsgrad, Ton- und Schluffgehalt der Sedimente, Ionengehalt der Porenflüssigkeit) auch von der Besiedlung durch unterschiedliche benthische Mikroorganismen beeinflusst. Viele dieser Algen und Bakterien können klebrigen Schleim absondern, der die Sedimenteigenschaften entscheident verändert. Diese extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) bilden Biofilme an der Sediment-Wasser-Grenzfläche und erfüllen den Porenraum in tiefer gelegenen Sohlbereichen. Die Auswirkungen dieser biogenen Stabilisierung können erheblich sein. So konnte im Rahmen von Laborstudien festgestellt werden, dass Algenmatten aus Cyanobakterien und pennaten Diatomeen die kritische Sohlschubspannung für den Erosionsbeginn um bis zu 800% gegenüber unbedieselten Vergleichssedimenten erhöhen.
Im Rahmen meiner Tätigkeit am Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der Rheinisch Westfälischen Technischen Hochschule Aachen habe ich von 1997 bis 2004 Labor- und Freilanduntersuchungen zur biologischen Beeinflussung des Erosionsverhaltens von Feinsedimenten durchgeführt. Diese von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekte hatten zunächst das Ziel, die Auswirkungen der benthischen Besiedlung durch photoautotrophe Organismen auf die Erosionsschwelle zu quantifizieren und durch Korrelationsuntersuchungen den Zusammenhang von hydromechanischen und biochemischen Parametern aufzuzeigen.


Kaolinit-Partikel unter dem Rasterelektronenmikroskop. Die Aufnahme zeigt die typische Struktur dieses Schichtsilikats.


Ausschnitt aus einem von der Kieselalge Navicula pelliculosa gebildeten Biofilm


Dichte Blaualgenmatte (Phormidium foveolarum) auf Kaolinit

Bei diesen Versuchen wurde einerseits das Kreisgerinne des IWW und außerdem ein kleineres Erosionsmessgerät ("EROSIMESS") eingesetzt. Als Sohlmaterial dienten Ersatzstoffe wie Kaolin, Olivenkernmehl und Quarzmehl. Die Versuchsorganismen wurden vor der eigentlichen Besiedelungsphase in vollmineralischen Nährmedien herangezogen und nach dem Absetzvorgang der künstlichen Sedimente zugegeben. Nach unterschiedlich langen Absetz- und Aufwuchsphasen wurde der Erosionsvorgang induziert und die Sohlbeanspruchung dabei schrittweise gesteigert. Durch automatisierte Messungen der Suspensionskonzentration konnte dann der Erosionsbeginn und die Erosionsrate ermittelt werden. Der biochemische Status der Sohle wurde durch die Bestimmung des C/N-Verhältnis, sowie des partikulären und kolloidalen Kohlenstoffgehaltes beschrieben. Diese Kenngrößen erlauben Rückschlüsse auf den EPS-Gehalt des Sediments.

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Lasergestützte Messung zur Beschreibung der Geschwindigkeitsverteilung im Erosionszylinder

Algenmatte in einer Sedimentkernprobe des Staubeckens Heimbach

Die Laboruntersuchungen wurden durch Freilandstudien ergänzt. Im Rahmen einer Sanierungsmaßnahme des vom Wasserverband Eifel-Rur betriebenen Staubeckens Heimbach wurden zur Ermittlung des Mobilisierungsrisikos der im Stauraum abgelagerten Feststoffe in situ Messungen des Erosionsverhaltens, Bestimmungen der Sedimentdichte und der Sohlmächtigkeit (hydroakustisches Profiling), Bestimmungen der Strömungsgeschwindigkeiten sowie ein umfangreiches Monitoring der Sedimenteigenschaften durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass im Falle einer vollständigen Entleerung des Staubeckens ein ausgeprägter Sedimentaustrag zu verzeichnen war, wobei das suspendierte Material vermutlich im wesentlichen aus dem Hauptgerinne des ehemaligen Rurlaufs stammte, während der Abtrag von den überströmten Vorländern von untergeordneter Bedeutung war.


In situ Erosionsmessung am Staubecken Heimbach.

Während die durch photoautotrophe Mikroorganismen hervorgerufenen Stabilisierungseffekte, die vor allem in den Ästuarien eine Rolle spielen, da dort die Wassertiefen geringer sind, insgesamt besser untersucht sind, waren Ausmaß und Bedeutung des heterotrophen Mikrobenthos für die Erosionsstabilität in limnischen Standgewässern nahezu unbekannt. Im Profundal dieser Wasserkörper ist eine Besiedlung des Sediments durch Algen ausgeschlossen, da die Kompensationsebene, unterhalb der eine positive Bilanz des Stoffwechsels durch Photosynthese nicht möglich ist, weit oberhalb der Sedimentsohle liegt. Daher habe ich untersucht, ob die verfestigende Wirkung von bakteriellen Biofilmen mit der durch Algenmatten hervorgerufenen zu vergleichen ist. Dabei dienten sterile Kunstsedimente als Referenz, die durch die Zugabe von Antibiotika und anderer Biozide zum Versuchsansatz hergestellt wurden. Es konnte gezeigt werden, dass Bakterien zwar die Erosionschwelle ähnlich beeinflussen, gleichzeitig aber die Erosionsrate zunimmt, da sich gasförmige Stoffwechselprodukte im Porenraum anreichern.