Seit Jahrhunderten werden Stauanlagen zur Energieerzeugung, zur Schiffbarmachung von Flüssen, zur Verbesserung des Schutzes vor Hochwasser und zum Zweck der Speicherung von Trink- und Betriebswasser errichtet. Dies führte im Zusammenspiel mit der Zerstörung von Laichgewässern sowie Überfischung und Wasserverschmutzung zu einem dramatischen Rückgang der Fischbestände. Bei der Errichtung der meisten Stauanlagen an den Bundeswasserstraßen Main, Neckar und Mosel wurden Fischtreppen angelegt, um eine Wanderung flussaufwärts zu ermöglichen. Diese waren jedoch oftmals zu steil, zu klein oder zu weit von natürlichen Wanderrouten entfernt und wurden zudem nicht ausreichend gewartet, um einen bestandserhaltenden Fischaufstieg zu gewährleisten. Die Entwicklungen des internationalen und nationalen Umweltrechts, die einem breiten gesellschaftlichen Bewusstseinswandel Rechnung trugen, führten ab den 1970er-Jahren sukzessive zu einer Verbesserung der Wasserqualität. Ein umweltpolitischer Meilenstein war die Verabschiedung der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) durch das Europäische Parlament im Jahr 2000. Diese fordert die EU-Mitgliedstaaten auf, Maßnahmen zur Verbesserung der ökologischen Bedingungen in heimischen Fließgewässern zu ergreifen. Ziel ist es, einen 'guten ökologischen Zustand' oder bei erheblich veränderten Gewässern ein sogenanntes 'gutes ökologisches Potenzial' zu erreichen.
Um die Ziele der WRRL in Bezug auf die ökologische Durchgängigkeit zu erfüllen, muss die Durchgängigkeit an den Bundeswasserstraßen an ca. 250 Stauanlagen sichergestellt werden. Dies erfordert in den meisten Fällen den Bau einer neuen Fischaufstiegsanlage. Deren Funktionsfähigkeit und Effizienz soll für mehr als 60 heimische Fischarten gewährleistet werden, obwohl sich Eigenschaften wie Leistungsfähigkeit, Migrationsverhalten und Schwarmverhalten von Art zu Art stark unterscheiden können. Feldstudien zur Gewinnung der notwendigen Daten werden durch die natürliche Variabilität der Fischbestände und weiterer variabler Einflussgrößen erschwert. Laboruntersuchungen sind in ihren Dimensionen begrenzt und werden durch die künstliche Umgebung beeinflusst. Eine alternative Möglichkeit für die Bewertung der Effizienz von Fischtreppen sind numerische Simulationsmethoden für die Hydraulik und das Verhalten von Fischen. Sie zielen auf eine quantitative Bewertung von baulichen Alternativen ab, wie sie in der Planungspraxis häufig benötigt wird. 2015 wurde in der BAW in enger Kooperation mit der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) ein Forschungsprojekt begonnen, um einen neuen Ansatz auf der Basis individuenbasierter Modellierung zu entwickeln.
Ich möchte prüfen, ob und unter welchen Bedingungen marine Ökosysteme alternative stabile Zustände hoher und niedriger Diversität und Produktivität ausbilden ('multiple stable states hypothesis', MSS). Modellstudien aus Seen und eigene Experimente an Felsküsten zeigen, dass durch Veränderungen der Konsumentenfauna und der Nährstoffzufuhr drastische Produktivitäts- und Diversitätsveränderungen hervorgerufen werden können. Für marine Systeme ist jedoch völlig unklar, ob es sich dabei um durch Rückkopplungen stabilisierte Zustände handelt. Diese Frage ist von großer theoretischer sowie angewandter Bedeutung, da eine Bestätigung der MSS bedeuten würde, dass die unerwünschten Veränderungen, die z. B. durch Eutrophierung oder Überfischung entstehen, nicht einfach durch Reduktion der Nährstofffracht oder des Fischereidrucks rückgängig zu machen wären. Ich möchte in diesem Projekt drei wichtige Teilsysteme bearbeiten: (1) benthische Hartbodengemeinschaften, (2) Planktongemeinschaften, (3) Fischbestände. Dazu werde ich kontrollierte Freilandexperimente durchführen sowie auf großer räumlicher und zeitlicher Skala erhobene Monitoringdaten analysieren. In Zusammenarbeit mit Modellierern in Kanada und Deutschland werde ich diese Datensätze auf das Vorkommen multipler stabiler Zustände Puffermechanismen und nichtlinearer Rückkopplungen untersuchen. Ziel ist dabei ein Modell zur Regulation der Produktivität und Artendiversität durch Nährstoffe und Konsumenten zu erarbeiten. Hauptauftragnehmer im Ausland: Dalhousie University, Department of Biology, Halifax, Canada.
Sauerstoffminimumzonen (SMZs) sind mit den Auftriebsgebieten der östlichen Kontinentalränder assoziiert. In diesen wichtigen Wirtschaftsgebieten fördert der intensive Auftrieb von nährstoffreichem Tiefenwasser eine hohe Primärproduktion im Oberflächenozean und unterstützt dadurch mehr als 50% der weltweiten Fischerei. Als Folge des Klimawandels wird eine vertikale Ausdehnung und Intensivierung von SMZs prognostiziert, da sich in wärmeren Gewässern weniger Sauerstoff auflöst und eine stärkere Schichtung des Ozeans die Sauerstoffzufuhr zum Ozeaninneren verringert. Diese Veränderungen der SMZs beschränken Fischlebensräume unmittelbar auf die oberen Wasserschichten der Meere, erhöhen das Risiko des Überfischens und können zu künftigen Massensterben in Küstenökosystemen führen. Die Variabilität von SMZs beeinflusst auch die Nährstoffverfügbarkeit für den Oberflächenozean und den von ihm unterstützten marinen Kohlenstoffkreislauf. Jedoch sind die genauen Mechanismen dafür nicht vollständig entschlüsselt. Rückschlüsse darüber, wie marine Kohlenstoff- und biogeochemische Zyklen auf den zukünftigen Sauerstoffverlust in Ozeanen reagieren, kann man gewinnen, indem man erfasst, wie Nährstoffzufuhr und Meeresumwelt auf vergangene Änderungen der SMZ-Intensitäten reagiert haben. In dieser vorgeschlagenen Studie werde ich zwei neuartige Proxys verwenden: stabile Cadmium (Cd) - und Barium (Ba)-Isotope von der peruanischen SMZ um 1) einzugrenzen welche Prozesse die Produktivität des Oberflächenozeanes und die Remineralisierung innerhalb der SMZs beeinflussen, und 2) herauszufinden wie die zukünftige Sauerstoffabnahme der Ozeane den globalen Kohlenstoffkreislauf beeinflussen wird. Sowohl gelöste Cd- als auch Ba-Isotope sind im Meerwasser eng mit biologischen Prozessen und der Wassermassenmischung gekoppelt. In marinen Sedimenten werden Cd- und Ba-Isotope auch durch die authigene Ausfällung dieser Elemente und die Diagenese nach der Ablagerung beeinflusst, wohingegen das Ausmaß der Isotopenfraktionierung während dieser Prozesse bislang kaum quantifiziert wurde. Ich werde Cd- und Ba-Isotopenverhältnisse im Meerwasser, in sinkenden Partikeln, Sedimenten und Porenwasser messen, um deren Isotopenfraktionierungseffekte während verschiedener biologischer, chemischer und physikalischer Prozesse einzugrenzen. Mit diesen Ergebnissen werde ich die Quellen und Senken quantifizieren, die beide Isotopensysteme im modernen Ozean fraktionieren, und einschätzen, wie sich die Diagenese nach der Ablagerung auf die Fraktionierung von Cd- und Ba-Isotopen auswirkt. Das ultimative Ziel dieser vorgeschlagenen Arbeit ist die Entwicklung sedimentärer Cd- und Ba-Isotope als verlässliche Proxys für vergangene Änderungen der Exportproduktion und der Remineralisierungsstärke.
In der Erdgeschichte hat es wiederholt Phänomene von Artensterben gegeben. Anhand der Analyse von Fossilien lässt sich ablesen, dass in den letzten 500 Millionen Jahren fünf große Massenaussterben stattgefunden haben. Das gegenwärtige Artensterben ist im Vergleich zu natürlichen Aussterbeprozessen um den Faktor 100 bis 1.000 beschleunigt und steht klar in Verbindung mit weltweiten menschlichen Aktivitäten, wie Abholzung und Überfischung. Es wird daher als sechstes Massenaussterben bezeichnet. Laut dem letzten globalen Bericht des Weltbiodiversitätsrat sind die Größe und der Zustand der globalen Ökosysteme im Vergleich zu ihrem natürlichen Zustand um nahezu die Hälfte zurückgegangen (Globales IPBES-Assessment zu Biodiversität und Ökosystemleistungen, 2019). Der aktuelle Bericht zum Zustand der Natur (EEA Report 10/2020) der europäischen Umweltagentur zeigt, dass sich bereits mehr als 80 % der Ökosysteme in Europa in einem schlechten oder sehr schlechten Zustand befinden. Laut der Weltnaturschutzunion IUCN ist derzeit fast jede vierte Spezies in Europa vom Aussterben bedroht. Insekten sind die artenreichste Gruppe aller Lebewesen, Nahrungsgrundlage unzähliger Tiere und unersetzlich für die Bestäubung von Pflanzen sowie die Zersetzung und damit Aufbereitung von organischem Material im Stoffkreislauf der Ökosysteme. Eine aufrüttelnde Studie des Entomologischen Vereins Krefeld von 2017 (Hallmann et al., 2017) dokumentiert einen Rückgang der Insektenpopulationen von mehr als 70 % innerhalb von drei Jahrzehnten. In Deutschland sind etwa ein Drittel aller Arten, die auf der Roten Liste stehen, vom Aussterben bedroht oder stark gefährdet. Das hat der deutschlandweite, umfassende Faktencheck Artenvielfalt ergeben, der 2024 von der Forschungsinitiative zum Erhalt der Artenvielfalt (FEdA) des Bundesministeriums für Bildung und Forschung herausgebracht wurde. Das globale Artensterben ist das Resultat verschiedener parallel ablaufender Prozesse, die sich oft noch gegenseitig verstärken. Es steht außer Frage, dass der Verlust biologischer Vielfalt eng mit der Globalisierung und den Entwicklungen des industriellen Zeitalters (ca. 1950) zusammenhängt. Der Weltbiodiversitätsrat hat die vielfältigen Ursachen für das Artensterben 2019 in fünf „direkten Triebkräften“ zusammengefasst. Der Hauptgrund für das Artensterben liegt im Lebensraumverlust . Wälder werden abgeholzt, Feuchtgebiete trockengelegt und natürliche Landschaften in intensiv bewirtschaftete landwirtschaftliche Flächen oder Städte umgewandelt. Der Ausbau von Infrastruktur versiegelt fruchtbaren Boden und zerschneidet Lebensräume. Diese Eingriffe erschweren es vielen Tier- und Pflanzenarten, zu überleben, da sie ihre natürlichen Lebensräume verlieren, in denen sie Nahrung finden und sich fortpflanzen können. Folglich kommen sie seltener vor. An zweiter Stelle steht der Klimawandel . Er hat starken Einfluss auf die Lebensbedingungen vieler Arten und führt zu extremen Wetterereignissen, steigenden Temperaturen und veränderten Niederschlagsmustern. Diese Veränderungen können das Überleben von Arten gefährden, die sich nicht schnell genug anpassen können. Beispielsweise sind Korallenriffe durch die Erwärmung der Ozeane und die Versauerung des Wassers stark bedroht. In weiten Teilen Deutschlands sind vor allem Arten gefährdet, die auf feuchte Lebensräume angewiesen sind. Weiterhin bedroht die weltweite Umweltverschmutzung durch Chemikalien, Plastik und andere Schadstoffe die Existenz vieler Arten. Verschmutzte Gewässer können Fische und andere Wasserlebewesen töten, Luftverschmutzung und Bodenverunreinigung schädigen weitere Pflanzen und Tiere. Besonders Mikroplastik ist eine wachsende Gefahr, da es in die Nahrungskette gelangt und sowohl Tiere als auch Menschen betrifft. Viertens trägt die direkte Übernutzung von Ressourcen zum Artensterben bei: Überfischung, illegaler Wildtierhandel und übermäßige Jagd reduzieren die vorhandenen Vorkommen. Ein übermäßiger Verbrauch oder eine zu intensive Nutzung von Tieren und Pflanzen, der ihre natürliche Regenerationsfähigkeit übersteigt, hat einen Rückgang ihrer Populationen zur Folge. Dies wirkt sich nicht nur auf die unmittelbar betroffenen Arten aus, sondern auch auf die Ökosysteme, die auf sie angewiesen sind. An fünfter Stelle stehen invasive, gebietsfremde Arten , die in ein neues Gebiet eingeführt werden und dort einheimische Arten verdrängen können. Sie destabilisieren die Ökosysteme und verringern die Artenvielfalt, indem sie um Ressourcen konkurrieren oder Krankheiten verbreiten. Da sie oft keine natürlichen Gegenspieler in den neuen Gebieten haben, können sie sich ungehindert ausbreiten. Das ist in Deutschland und Berlin zum Beispiel dem Waschbären und dem Amerikanischen Sumpfkrebs gelungen. Die Verbreitung von invasiven Arten wird heute vor allem durch globale Transport-, Reise- und Lieferwege erleichtert. Die „Rote Liste“ ist ein Verzeichnis, das den Gefährdungsstatus von Arten dokumentiert, um auf deren Schutzbedürftigkeit aufmerksam zu machen. Sie kategorisiert Arten nach ihrem Aussterberisiko und wird von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern sowie Naturschutzorganisationen genutzt, um Maßnahmen zum Erhalt der Artenvielfalt zu entwickeln. In Berlin gibt es spezifische Rote Listen für verschiedene Organismengruppen wie Pflanzen, Tiere und Pilze, die die lokale Biodiversität erfassen und bewerten. Diese Listen helfen dabei, die Gefährdung von Arten in der städtischen Umgebung zu überwachen und gezielte Schutzmaßnahmen zu planen, um die Artenvielfalt in der Hauptstadt zu bewahren. Die Berliner Landesbeauftragte für Naturschutz und Landschaftspflege aktualisiert alle 10 Jahre die Rote Liste in Zusammenarbeit mit der Obersten Naturschutzbehörde Die fachlichen Grundlagen über das Vorkommen und die Gefährdung einzelner Arten werden jedoch hauptsächlich von zahlreichen ehrenamtlichen Expertinnen und Experten erarbeitet, insbesondere von Mitgliedern botanischer und faunistischer Fachverbände. Die Bearbeiterinnen und Bearbeiter der verschiedenen Organismengruppen analysieren diese Daten systematisch und beziehen dabei auch Informationen aus aktuellen naturschutzfachlichen Gutachten, Forschungsarbeiten und Fachpublikationen ein.