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19.03.2025 10:55

Verborgen und deshalb unterschätzt: Klimawandelfolgen in Gewässern auf den zweiten Blick

Nadja Neumann Kommunikation und Wissenstransfer
Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)

Der neue Bericht der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) zum Zustand des Klimas zeigt: Die globale Erwärmung hat sich im Jahr 2024 deutlich beschleunigt – auch mit weitreichenden Folgen für Binnengewässer. Steigende Temperaturen und veränderte Wasserstände führen zu neuen ökologischen Dynamiken. Sauerstoffarme Zonen breiten sich in Seen aus, Artengemeinschaften setzen sich neu zusammen, Tiere passen ihr Verhalten an – und finden in der Folge nicht mehr ausreichend Nahrung. Forschende des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) untersuchen diese Entwicklungen und wollen Wege aufzeigen, den Herausforderungen zu begegnen. 7 Fragen dazu an 7 IGB-Forschende:

Prof. Dr. Michael Hupfer
Sie untersuchen, wie der Klimawandel die Sauerstoffkonzentration in Seen beeinflusst. Welche Beobachtungen haben Sie gemacht und welche Empfehlungen leiten Sie daraus ab?

Michael Hupfer: Langzeitstudien zeigen, dass die Erwärmung von Seen zu einer besorgniserregenden Abnahme der Sauerstoffkonzentration führt, besonders in den tieferen Schichten. In einer Studie haben wir für Deutschland gezeigt, dass die Oberflächentemperatur von 46 untersuchten Seen zwischen 1990 und 2020 um 0,5 °C pro Jahrzehnt gestiegen ist. Dies verstärkt die sommerliche Temperaturschichtung und behindert den Sauerstoffaustausch zwischen Oberflächen- und Tiefenwasser. Schon heute liegen bei mehr als der Hälfte der Sommer- und Herbstmessungen die kritischen Sauerstoffwerte unter 2 mg/L, was für viele Lebewesen lebensbedrohlich ist.
Unsere Modellrechnungen bis zum Jahr 2099 zeigen, dass unter einem pessimistischen Klimaszenario (RCP 8.5) die Schichtungsdauer im Sommer noch um bis zu 38 Tage zunehmen könnte. Dies würde die Sauerstoffkonzentration im Tiefenwasser weiter verringern und die Lebensräume vieler Organismen gefährden. In den Herbstmonaten könnten große Teile der Tiefenzonen sogar komplett sauerstofffrei bleiben, mit drastischen Folgen für Fische, andere Lebewesen und die chemischen Prozesse in den Seesedimenten. Eine mögliche Lösung liegt in der Verringerung der Nährstoffeinträge wie Nitrat und Phosphat, die häufig aus der Landwirtschaft und aus städtischen Quellen in die Gewässer gelangen. Unsere Berechnungen zeigen, dass eine Reduktion der Nährstoffbelastung die Sauerstoffkonzentrationen selbst unter dem genannten pessimistischen Klimaszenarien verbessern könnte. Dieser Ansatz könnte entscheidend dazu beitragen, die negativen Auswirkungen des Klimawandels auf die Sauerstoffversorgung von Seen zu minimieren.
michael.hupfer@igb-berlin.de; +49 (0)30 64181605

Prof. Dr. Mark Gessner
Viele Bäche und Flüsse fallen periodisch trocken. Sie waren an einem internationalen Konsortium beteiligt, das untersucht hat, wie sich das auf die Biodiversität auswirkt. Was haben Sie festgestellt?

Mark Gessner: Mehr als die Hälfte aller Flüsse weltweit fallen mehr oder weniger regelmäßig trocken. Die dabei exponierten, trockenen Sedimente sind ein hochdynamisches, aber bislang wenig erforschtes System. Durch die Analyse von Umwelt-DNA aus 84 intermittierenden Fließgewässern in 19 Ländern konnten wir die Biodiversität von Mikroorganismen, Wirbellosen und Pflanzen in diesen Sedimenten umfassend untersuchen. Ein zentrales Ergebnis ist, dass biotische Wechselwirkungen zwischen Bakterien, Pilzen, Algen und Protozoen einen stärkeren Einfluss auf die Kovariation der Zusammensetzung dieser Lebensgemeinschaften haben als Umweltgradienten. Das ist überraschend, denn bisher wurde angenommen, dass abiotische Faktoren wie klimatische Bedingungen oder Nährstoffverfügbarkeit dominieren. Stattdessen sehen wir jedoch, dass die Wechselwirkungen der Organismen entscheidend für die Stabilität und Anpassungsfähigkeit der Lebensgemeinschaften sind.
Darüber hinaus haben wir Hinweise gefunden, dass Ressourcenknappheit und längere Trockenperioden Mikroorganismen begünstigen, die knappe Ressourcen besonders effizient nutzen. Sie könnten eine Schlüsselrolle für das Funktionieren dieser Ökosysteme spielen. Auch wenn unklar ist, wie sich diese Lebensgemeinschaften unter dem Einfluss globaler Veränderungen wie dem Klimawandel oder der zunehmenden Fragmentierung von Flusslandschaften langfristig entwickeln werden, legen unsere Ergebnisse nahe, trockenfallende Bäche und Flüsse explizit in Schutzstrategien einzubeziehen. Gleichzeitig zeigen die Daten, dass trockene Bach- und Flussbetten komplexe Systeme sind, deren Biodiversität stärker von biotischen Prozessen beeinflusst wird, als bisher angenommen. Diese Erkenntnisse sollten in zukünftige Modelle zur Vorhersage der Auswirkungen des Klimawandels einfließen.
mark.gessner@igb-berlin.de; +49 (0)33082 6990

Dr. Sami Domisch
Es ist bekannt, dass der Klimawandel auf vielfältige Weise die regionale Verteilung von Süßwasserarten verändert. Müssten daraufhin auch die biologischen Indizes angepasst werden, die zur ökologischen Bewertung europäischer Flüsse herangezogen werden?

Sami Domisch: Zur Bewertung der europäischen Fließgewässer werden z. B. benthische Makroinvertebraten als biologische Indikatoren herangezogen. Hierbei wird die Zusammensetzung der Artengemeinschaft eines Gewässertyps mit einem sogenannten Referenzzustand, d. h. der Artengemeinschaft eines ähnlichen, natürlichen Gewässertyps, verglichen. Wenn sich im Zuge des Klimawandels die Verbreitung der Arten verändert, könnte ein solcher Vergleich in Zukunft schwierig werden, da sich auch die Artengemeinschaften in diesen natürlichen, unbelasteten Gewässern verändern können.
Der alleinige Blick auf die Anzahl der Arten birgt hier ein Risiko, denn „mehr ist nicht zwangsläufig besser“: In einer Artengemeinschaft können einzelne Arten in ihrer ökologischen Funktion einzigartig, aber untereinander auch sehr ähnlich sein. Eine Veränderung der Artenverbreitung mag zunächst mit einer sichtbaren Veränderung einhergehen (z. B. ist eine Art nicht mehr in einem Gebiet zu beobachten), ihre ökologische Funktion kann jedoch von einer anderen übernommen werden, so dass das Ökosystem gegenüber Umweltveränderungen gleichermaßen resilient sein kann. Dies ist natürlich nur bis zu einem gewissen Grad möglich. Umgekehrt kann es sein, dass eine neue Art regional nur wenige neue ökologische Funktionen übernimmt. Zurzeit korrelieren die biologischen Indizes stark mit dem Artenvorkommen, d. h. der taxonomischen Diversität, aber um den ökologischen Zustand eines Gewässers in Zukunft bewerten zu können, ist es wichtig, auch die funktionelle Resilienz anhand der Artengemeinschaften zu analysieren.
sami.domisch@igb-berlin.de: +49 (0)30 63924079

Dr. Gregor Kalinkat
Fische verändern ihr Verhalten unter wärmen Bedingungen. Sie haben das am Beispiel des Jagdverhaltens dokumentiert. Welche Schlüsse ziehen Sie daraus für die Überlebensfähigkeit der betroffenen Arten und die Stabilität der Ökosysteme?

Gregor Kalinkat: In einer Studie, die wir mit gemeinsam dem Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena durchgeführt haben, konnten wir tatsächlich zeigen, dass der Klimawandel das Nahrungssuchverhalten von Fischen wie Dorsch und Flunder in der Ostsee verändert: Mit steigenden Temperaturen erhöht sich der Stoffwechsel dieser Tiere, wodurch sie eigentlich mehr Nahrung benötigen. Statt aber größere, energiereichere Beute zu jagen, fressen sie stattdessen mehr kleine und häufig vorkommende Beutetiere wie Kleinkrebse, Würmer oder Schlangensterne. Dieses „flexible Nahrungssuchverhalten“ mag kurzfristig sinnvoll erscheinen, um schnell Energie zu gewinnen, erweist sich aber langfristig als ineffizient. Unsere Modellrechnungen deuten darauf hin, dass es die Sterblichkeit erhöht und das Aussterben von Arten an der Spitze des Nahrungsnetzes wahrscheinlicher macht. Insbesondere größere Raubfischarten könnten verhungern, weil sie trotz hoher Nahrungsaufnahme nicht genügend Kalorien aufnehmen.
Diese ineffiziente Anpassung hat auch weitreichende Folgen für die Lebensgemeinschaften in den betroffenen Ökosystemen. Wenn Raubfische aussterben oder stark dezimiert werden, gerät das Gleichgewicht des gesamten Nahrungsnetzes ins Wanken. Kleinere Beutearten könnten sich übermäßig vermehren, was sich wiederum auf die Strukturen von Lebensräumen und die Verfügbarkeit von Ressourcen auswirkt. Unsere Beobachtungen an Fischen aus der Ostsee könnten auch erklären, warum sich deren Bestände in jüngster Zeit trotz deutlich reduzierter Fangquoten kaum erholt haben. Ähnliche Verhaltensanpassungen könnten aber auch bei anderen Tiergruppen auftreten, die am oberen Ende eines Nahrungsnetzes stehen, sei es in aquatischen oder terrestrischen Lebensräumen. Dadurch könnten ganze Ökosysteme anfälliger für die Auswirkungen des Klimawandels werden.
gregor.kalinkat@igb-berlin.de; +49 (0)30 64181784

Prof. Dr. Justyna Wolinska
Ihr Forschungsschwerpunkt sind die Beziehungen von Parasiten und ihren Wirten. Was hat das eigentlich mit dem Klimawandel zu tun?

Justyna Wolinska: In einer Metaanalyse von 60 Studien konnten wir zeigen, dass die globale Erwärmung die Sterblichkeit durch Infektionen bei wechselwarmen Tieren wie Krebsen, Fischen und Weichtieren signifikant erhöht. Da diese Tiere von der Umgebungstemperatur abhängig sind, reagieren sie besonders empfindlich auf steigende Temperaturen. Bei bakteriellen Infektionen nimmt die Sterblichkeitsrate mit steigender Temperatur zu, da der Stoffwechsel der Tiere beschleunigt wird und Krankheitserreger unter wärmeren Bedingungen oft schneller wachsen. Bei Pilzinfektionen steigt die Sterblichkeitsrate der infizierten Tiere vor allem im thermischen Optimum des jeweiligen Pilzes, d.h. sie sinkt wieder, wenn die Temperatur zu hoch wird.
Dies zeigt, wie unterschiedlich Krankheitserreger auf Temperaturveränderungen reagieren können und warum dies zu unvorhersehbaren Dynamiken in Tierpopulationen führen kann. Die Folge: Eine erhöhte Sterblichkeit aquatischer Tiere destabilisiert Nahrungsnetze und stört ökologische Prozesse wie den Abbau von organischem Material. Zudem könnten sich Krankheitserreger durch die Erwärmung ausbreiten und neue Risiken für andere Arten und möglicherweise auch für den Menschen schaffen. Uns ist es wichtig, die komplexen Wechselwirkungen zwischen Klimawandel, Krankheitserregern und Wirten weiter zu erforschen, um die langfristigen Folgen für die Funktion und Stabilität von Ökosystemen besser abschätzen zu können.
justyna.wolinska@igb-berlin.de; +49 (0)30 64181686

Prof. Dr. Sonja Jähnig
Der Klimawandel erfordert eine Transformation hin zu einer verstärkten Nutzung erneuerbarer Energien, darunter auch Wasserkraft. Welche Auswirkungen hat das in den betroffenen Gewässern?

Sonja Jähnig: Wir konnten in einer Übersichtsstudie zeigen, wie vielfältig und zahlreich die negativen Auswirkungen der Wasserkraft auf die Biodiversität in Flüssen sind. Die Studie belegt anhand internationaler Beispiele, dass diese Schäden durch Veränderungen der Durchgängigkeit, der Wasserführung, der Vernetzung mit Auen und Landlebensräumen sowie des Sediment- und Nährstofftransports verursacht werden. Auch der genetische Austausch zwischen Populationen wird durch Wasserkraft beeinträchtigt. Staudämme wirken zudem als physische Barrieren, die die Wanderung von Arten behindern und deren Lebenszyklen stören, während Turbinen die Sterblichkeitsrate deutlich erhöhen – etwa jeder fünfte Fisch stirbt bei der Passage.
Darüber hinaus beeinflussen Wasserkraftwerke die Temperatur und den jahreszeitlichen Wasserfluss, was zu einem „Mismatch“ beispielsweise zwischen den Umweltbedingungen und dem Fortpflanzungszyklus einer Art führt. In Hotspots der Biodiversität sollten daher am besten gar keine neuen Wasserkraftanlagen gebaut werden. Wir empfehlen das STREAM-Konzept, das eine systematische Planung, den Rückbau nicht mehr benötigter Infrastruktur, eine umfassende sozial-ökologische Folgenabschätzung, eine partizipative Entscheidungsfindung sowie kontinuierliche Überwachung und adaptives Management umfasst. Nur so können die negativen Auswirkungen der Wasserkraft besser verstanden und reduziert werden.
sonja.jaehnig@igb-berlin.de; +49 (0)30 64181680

Prof. Dr. Dörthe Tetzlaff
Sie haben mit Kolleg*innen in diesem Jahr den Begriff der „ökohydrologischen Resilienz“ geprägt. Was meinen Sie damit und wie kann uns das Konzept helfen, besser mit den Folgen des Klimawandels umzugehen?

Dörthe Tetzlaff: Wenn von Klimaextremen wie Dürren oder Überschwemmungen die Rede ist, wird oft übersehen, wie viel Wasser bereits in unseren Landschaften gespeichert ist: Unter normalen, feuchten Bedingungen sind die unterirdischen Wasserspeicher miteinander verbunden und sowohl in der Höhe als auch in der Breite räumlich ausgedehnt. Die oberirdischen Speicher – also Oberflächengewässer, Oberböden, aber auch in der Vegetation – werden durch regelmäßige Niederschläge ausreichend gefüllt.

Bei einsetzender Trockenheit sind die oberirdischen Speicher erschöpft. Gerade in Trockenperioden ist dann der Zugang zum so genannten Speicherkontinuum entscheidend, also zu den Wassermengen, die im Untergrund, also in den Böden und den darunter liegenden Grundwasserleitern gespeichert sind. Denn das Volumen und die Zugänglichkeit dieses Speicherkontinuums bestimmen, ob wasserbezogene Ökosystemleistungen auf Landschaftsebene zu allen Zeiten – von den feuchtesten bis zu den trockensten Perioden – erbracht werden können.
Generell gilt: Je größer die landschaftliche Vielfalt, desto mehr Verbindungen zum Speicherkontinuum sind potenziell vorhanden. Dies erhöht die hydrologische Resilienz. Das Speicherkontinuum reicht von Gebieten mit hoher Speicherkapazität und ökohydrologischer Resilienz, wie z. B. Feuchtgebieten, bis hin zu Gebieten mit geringer Speicherkapazität und geringer ökohydrologischer Resilienz, wie z. B. landwirtschaftlich genutzten Flächen und forstwirtschaftlichen Monokulturen. Nicht nur Topographie, Bodentypen und Geologie bestimmen also, wo in der Landschaft Wasser gespeichert wird, sondern auch die Art der Landnutzung. Das Ausmaß einer Dürre wird sogar maßgeblich von der Bodenbedeckung bestimmt, da verschiedene Vegetationstypen unterschiedliche Verdunstungs- und Transpirationsraten aufweisen, die wiederum von der Wasserverfügbarkeit im Untergrund abhängen. Dürren betreffen also nicht ganze Regionen oder Landschaften in gleicher Weise, sondern die Auswirkungen von Trockenheit sind spezifisch und variieren von Landschaftsausschnitt zu Landschaftsausschnitt.
doerthe.tetzlaff@igb-berlin.de; +49 (0)30 64181661

Die Fragen stellte Angelina Tittmann.

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Originalpublikation:

Schwefel et al. (2024) Temperatures and hypolimnetic oxygen in German lakes: Observations, future trends and adaptation potential. Ambio. http://dx.doi.org/10.1007/s13280-024-02046-z

Foulquier et al. (2024) Unravelling large-scale patterns and drivers of biodiversity in dry rivers. Nature Communications. http://dx.doi.org/10.1038/s41467-024-50873-1

Polazzo et al. (2024) A modelling approach to assess climate change impacts on taxonomic and functional diversity of European stream macroinvertebrates: Implications for water quality monitoring. Ecological Indicators. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2024.112404

Gauzens et al. (2024) Flexible foraging behaviour increases predator vulnerability to climate change. Nature Climate Change. http://dx.doi.org/10.1038/s41558-024-01946-y

Li et al. (2024) Excess mortality of infected ectotherms induced by warming depends on pathogen kingdom and evolutionary history. PLoS Biology. http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.3002900

He et al. (2024) Hydropower impacts on riverine biodiversity. Nature Reviews: Earth & Environment. http://dx.doi.org/10.1038/s43017-024-00596-0

Tetzlaff et al. (2024) Ecohydrological resilience and the landscape water storage continuum in droughts. Nature Water. http://dx.doi.org/10.1038/s44221-024-00300-y

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Weitere Informationen:

https://www.igb-berlin.de/news/unterschaetzte-gefahr-wie-der-klimawandel-unsere-...

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Beispielfoto für Gewässer im Klimawandel.
Solvin Zankl
Solvin Zankl

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Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Lehrer/Schüler, Studierende, Wissenschaftler, jedermann
Geowissenschaften, Meer / Klima, Tier / Land / Forst, Umwelt / Ökologie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch

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