Submerse Makrophyten (Unterwasserpflanzen) interagieren auf komplexe Weise mit ihrer Umwelt. Häufig bestehen artspezifische physiologische und morphologische Anpassungen an die Lichtintensität, die Fließgeschwindigkeit, die Zusammensetzung des Sedimentes, die Kohlenstoff-Verfügbarkeit, den pH-Wert, die Nährstoffkonzentration des Wassers sowie die Artenzusammensetzung und Abundanz der Gewässerfauna. Der aktuelle wissenschaftliche Kenntnisstand bezüglich der wechselseitigen Interaktionen dieser Faktoren mit submersen Makrophyten wird erläutert. Submerse Makrophyten können im Unterschied zu physikalischen oder chemischen Messungen eine integrierte Information über räumlich und zeitlich fluktuierende Umweltvariablen liefern. Sie eignen sich besonders gut als Bioindikatoren, da sie im Gegensatz zu Phytoplankton und Periphyton das Sediment mit dem freien Wasserkörper verknüpfen und daher eine Information über das Gewässer im Sinne eines Ökosystems liefern. Obwohl die Artenzusammensetzung und Abundanz der submersen Vegetation von einer Vielzahl an Einflussgrößen abhängt, kann sie zur Bioindikation herangezogen werden, wenn die artspezifischen Toleranzen und Präferenzen hinsichtlich des zu indizierenden Parameters genau bekannt sind. Der Indikatorwert einer Art beschreibt ihr beobachtetes Verbreitungsmaximum hinsichtlich eines bestimmten Parameters als Zahlenwert. Basierend auf eigenen Publikationen werden die Entwicklungen der letzten Jahre auf dem Gebiet der Bioindikation mit Hilfe submerser Makrophyten aufgezeigt, die von der anfänglichen Beschreibung der Makrophytenverbreitung über die Klassifikation definierter Gewässereigenschaften zu einer ökologischen Bewertung von Seen und Fließgewässern reichen. Der Makrophytenindex nach Melzer stellt das erste quantitative Verfahren zur Bioindikation der Nährstoffbelastung im Uferbereich von Seen dar. Die Artenzusammensetzung und Abundanz der submersen Vegetation wird dabei mit Hilfe einer Tauchkartierung ermittelt. Aus den Indikatorwerten von 45 Arten, die in neun Indikatorgruppen eingeteilt sind, wird der Makrophytenindex für jeden untersuchten Uferabschnitt getrennt errechnet. Der mittlere Makrophytenindex eines Sees korreliert mit seiner Gesamt-Phosphor-Konzentration zum Zeitpunkt der Vollzirkulation. Für Fließgewässer Deutschlands erfolgte die erste Beschreibung von trophischen Valenzen submerser Makrophyten auf empirischer Basis. Basierend auf einer umfangreichen Literaturrecherche wurde die Verbreitung von 61 Arten submerser Makrophyten (einschließlich einiger Wassermoose) in den unterschiedlichen Trophieklassen von Fließgewässern mit Hilfe einer 20-Punkte-Verteilung beschrieben. Die erste Anwendung dieses Systems im Lauterbach (Bayern) konnte seine grundsätzliche Eignung zur Trophieindikation in Fließgewässern veranschaulichen. Untersuchungen am Rotbach (Bayern) zeigten die Bedeutung der SRP-Konzentration (soluble reactive phosphorus) des Sedimentes zur Erklärung unterschiedlicher Pflanzengemeinschaften im Längsverlauf eines Fließgewässers. Die Hypothese, dass die Ursache für das Auftreten eutraphenter Arten in einem nährstoffarmen Wasserkörper im Nährstoffgehalt des Sedimentes zu suchen ist, wurde durch weitere Untersuchungen unterstützt. Diese zeigten zum einen, dass die Phosphorkonzentrationen im Freiwasser und Sediment von Fließgewässern nicht miteinander korreliert sind, zum anderen, dass sich die Gesamt-Phosphor-Konzentration im Sediment nicht als trophieanzeigender Parameter eignet, die SRP-Konzentration im Interstitialwasser jedoch gute Ergebnisse liefert. Aus diesen Gründen wurden die dem TIM (Trophie-Index Makrophyten) zugrunde liegenden Indikatorwerte durch Messung der SRP- Konzentration im Wasser und im Sediment von Makrophytenpolstern in Fließgewässern ermittelt. Der Fortschritt in der Entwicklung des TIM gegenüber allen bis dato bestehenden Makrophytenindices liegt in der Einbeziehung des Sedimentes als Nährstoffquelle. Die Eignung des TIM zur Trophieindikation in Fließgewässern wird anhand eines Beispieles aus dem Rotbach (Bayern) diskutiert. Daten von 135 Stellen in Fließgewässern Bayerns zeigen, dass die Artenzahl aquatischer Makrophyten nicht signifikant mit der Strukturgüte des Fließgewässers korreliert ist. Einer makrophytenbasierten Indikation struktureller Degradation von Fließgewässern muss daher eine Gewässertypisierung vorausgehen. Für die Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie wurde basierend auf 275 Transekten in 95 Seen und 262 Stellen in 202 Fließgewässern Deutschlands eine makrophytenbasierte Gewässertypologie erarbeitet. Die Gewässertypen werden durch die weitgehend degradationsunabhängigen Parameter Ökoregion, Ca-Gehalt (Wasserhärte), Mixis, Morphologie, Fließgeschwindigkeit, Breite, Tiefe und Grundwassereinfluss beschrieben. Für die Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie wird im Gegensatz zum Makrophytenindex und zum TIM keine spezielle Art der Gewässerbeeinflussung klassifiziert wie z.B. die Nährstoffanreicherung. Vielmehr wird mit Hilfe des Referenzindex gewässertypspezifisch die Abweichung in Artenzahl und Abundanz der submersen Vegetation vom unbelasteten Referenzzustand gemäß einer fünfstufigen Skala bewertet. Daher wird jede Form der Gewässerbeeinflussung detektiert, die zu einer Veränderung der aquatischen Flora führt, unabhängig davon, welcher Art diese Gewässerbeeinflussung ist. Die Entwicklung der makrophytenbasierten Bioindikation von der empirischen Beschreibung ökologischer Valenzen über die Klassifikation der Trophie zur Gewässerbewertung wurde in einigen Ländern Europas sowie in Nordamerika auf ähnliche Weise vollzogen, sie ist jedoch unterschiedlich weit fortgeschritten. Der Vergleich zwischen den Indikatoreigenschaften submerser Makrophyten in Seen und Fließgewässern zeigt, dass die Artenlisten des Makrophytenindex und des TIM nur zu etwa 60 % übereinstimmen. Diese Tatsache bestätigt die Notwendigkeit, für Seen bzw. für Fließgewässer einen eigenen Index zu erarbeiten. Als Hauptgründe für die unterschiedliche Artenausstattung wirken einerseits die Intoleranz von Stillgewässer-Arten gegenüber den Kräften der Strömung, andererseits die Abhängigkeit bestimmter Species von CO2 als C-Quelle. Aufgrund ihres Unvermögens zur Nutzung von HCO3- können diese Arten in Seen nur in grundwasserbeeinflussten Habitaten oder in flachen Gewässerbereichen in ihrer emersen Wuchsform überdauern. Pleustophytische Arten sind in Fließgewässern zur Bioindikation der Trophie ungeeignet, da die Intensität ihrer Verdriftung von weitgehend trophieunabhängigen Faktoren abhängt. Der Vergleich der Indikatorwerte der 28 dem Makrophytenindex und TIM gemeinsamen Arten zeigt, dass 76 % der Varianz der Indikatorwerte des Makrophytenindex von den Werten des TIM erklärt werden können (R2 = 0,76). Eine erhebliche Abweichung im Verbreitungsmaximum zwischen Seen und Fließgewässern kann auf der Grundlage der vorhandenen Daten bei drei Arten angenommen werden: Ranunculus circinatus dringt in Fließgewässern in einen nährstoffärmeren Bereich vor als in Seen, während Myriophyllum spicatum und Nuphar lutea das umgekehrte Verhalten zeigen. Die Korrelation der Indikatorwerte des Makrophytenindex mit denen des TIM deutet darauf hin, dass die eutrophierende Wirkung der Strömung für die meisten Arten gleichartig eintritt. Ebenso wie bei der Gegenüberstellung der beiden Trophieindices liegt der wesentliche Unterschied zwischen Seen und Fließgewässern nach dem System der WRRL nicht in den Indikationswerten einzelner Taxa, sondern in der Artenausstattung der Taxalisten. In allen drei ausgewerteten See-Fließgewässer-Paaren sind weniger als 40 % der Arten in beiden Taxalisten enthalten. Weniger als 10 % der Taxa sind in Seen und Fließgewässern unterschiedlich eingestuft. Davon besteht nur bei Myriophyllum verticillatum, Potamogeton perfoliatus und Ranunculus trichophyllus in natürlich nährstoffreichen Gewässern des Norddeutschen Tieflandes die begründete Annahme einer unterschiedlichen ökologischen Amplitude zwischen Seen und Fließgewässern.     «

Submerse Makrophyten (Unterwasserpflanzen) interagieren auf komplexe Weise mit ihrer Umwelt. Häufig bestehen artspezifische physiologische und morphologische Anpassungen an die Lichtintensität, die Fließgeschwindigkeit, die Zusammensetzung des Sedimentes, die Kohlenstoff-Verfügbarkeit, den pH-Wert, die Nährstoffkonzentration des Wassers sowie die Artenzusammensetzung und Abundanz der Gewässerfauna. Der aktuelle wissenschaftliche Kenntnisstand bezüglich der wechselseitigen Interaktionen dieser Fa...     »

Submerged macrophytes (underwater plants) interact in complex ways with their environment. Many species respond in a unique manner to light intensity, flow velocity, sediment composition, carbon availability, pH, water nutrient concentration as well as species composition and abundance of aquatic fauna. Existing knowledge of interactions between these factors and submerged macrophytes is outlined. In contrast to physical and chemical data, submerged macrophytes provide integrated information about a spatially and temporally fluctuating environment. Unlike phytoplankton and periphyton, submerged macrophytes link the sediment with the overlying water and provide ecosystem level information about rivers and lakes. If species-specific tolerances and optima regarding the parameter of interest are known, submerged macrophytes can be used as bioindicators. This is true even if species composition and abundance depends on a multitude of parameters. The indicator estimate of a species is described by its maximum of occurrence with respect to a specific parameter. Bioindication using submerged macrophytes evolved in the last decades from a mere description of macrophyte occurrence to the classification of specific water-body qualities to the ecological assessment of both rivers and lakes. The first quantitative bioindicator method of lake nutrient loading was the Macrophyte Index (MI) of Melzer. Species composition and abundance of submerged macrophytes, determined by SCUBA diving, is used to identify the MI of a lake. Based on the indicator estimates of 45 species, divided into 9 indicator groups, the MI value can be calculated for each mapping section along a shoreline. The mean MI value of a lake is correlated with its total phosphorus (TP) concentration during turnover. The first trophic values for macrophytes in German rivers were described empirically using a 20-points scheme, based on a literature review of 61 submerged macrophytes species (including water mosses) in different trophic states. The first implementation of this system in the Lauterbach river showed its applicability for indicating running water trophic state. Results from the Rotbach River (Bavaria) indicate the importance of sediment SRP-concentrations (soluble reactive phosphorus) for explaining differences in macrophyte composition within a river course. Investigations in rivers across Bavaria showed that phosphorus concentrations of water and sediment are not significantly correlated, thus the reason eutrophic species may occur in nutrient poor water may be due to a high sediment nutrient concentration. Sediment TP is a poor predictor of trophic status in running waters, whereas sediment SRP produces better predictions. For these reasons, bioindicator estimates in the TIM (Trophic Index of Macrophytes for rivers) are based on sediment and water SRP-concentrations within patches of submerged macrophytes of running waters. The advantage of the TIM compared to other macrophyte indices is the consideration of the sediment as nutrient source. The applicability of the TIM for indicating trophic status of running waters is discussed based on an example from the Rotbach River (Bavaria). Data from 135 sites in Bavarian running waters show that aquatic macrophytes species richness is not correlated with the structural quality of a river site. We conclude that the bioindication of river structural quality requires a river typology. For the implementation of the European Water Framework Directive (WFD), river and lake typologies were developed based on 262 sites from 202 running waters and 275 transects in 95 lakes, respectively. River and lake types were established using differences in characteristic macrophyte communities reflecting ecoregion, calcium concentration (water hardness), morphology, flowing velocity, and groundwater influence. In contrast to the MI and the TIM, the Water Framework Directive method does not classify a specific kind of degradation e.g. nutrient enrichment, but rather quantifies the deviation in species composition and abundance from reference conditions. Thus every kind of impact affecting aquatic flora composition and abundance is detected. The trend in evolution of macrophyte-based bioindication from an empirical description to ecological status assessment is similar in Europe and North America. Only 60% of macrophyte indicator species are shared between the MI and TIM, thus supporting the necessity in using different indices for lakes and running waters. The main reasons for the observed differences in river and lake indicators are the intolerance of lake-species to flow velocity and the dependance of many river-species on CO2 for carbon supply. Because of their inability to use HCO3-, these river-species occur only in lakes influenced by groundwater or as emergent forms using atmospheric CO2. Free-floating species cannot be used for bioindication in running waters, as their drift is influenced by factors independent of trophic state. A total of 28 species are included in both the MI and TIM; 76% of the variance of macrophyte index indicator estimates is explained by the TIM indicator estimates (R2 = 0.76). Based on current data, a substantial difference in bioindicator index values between lakes and running waters occurs for three species. Ranunculus circinatus grows in more nutrient poor running waters than lakes, whereas Myriophyllum spicatum and Nuphar lutea show the opposite. The correlation between MI and TIM indicator estimates suggests that current velocity affects submerged macrophyte species in a similar manner. As observed with the trophic indices (MI and TIM), the main difference between lakes and rivers in the Water Framework Directive indicator classification lies not in the indicator estimates of individual taxa, but in the species composition of the taxa lists. Comparing three of the so-called “lake-river pairs” shows that they have less than 40% of the species in common and less than 10% are classified differently. Only for Myriophyllum verticillatum, Potamogeton perfoliatus and Ranunculus trichophyllus in nutrient rich water bodies of Northern Germany does a differing ecological amplitude between lakes and running waters seem reasonable.     «

Submerged macrophytes (underwater plants) interact in complex ways with their environment. Many species respond in a unique manner to light intensity, flow velocity, sediment composition, carbon availability, pH, water nutrient concentration as well as species composition and abundance of aquatic fauna. Existing knowledge of interactions between these factors and submerged macrophytes is outlined. In contrast to physical and chemical data, submerged macrophytes provide integrated information abo...     »