Das Verständnis über die Ausprägung der Lebensgemeinschaften von benthischen Invertebraten in aquatischen Ökosystemen in Abhängigkeit von abiotischen Faktoren ist von grundlegender wissenschaftlicher Bedeutung und eine Voraussetzung für die Bewertung, den Schutz und die Wiederherstellung der ökologischen Integrität in Fließgewässern. Für die Erarbeitung von Abhängigkeiten zwischen der benthischen Lebensgemeinschaft, der Hydromorphologie und der Saprobie standen insgesamt 409 Datensätze in Form von Taxalisten des Makrozoobenthos zur Verfügung. Diese wurden mit Strukturgütedaten verschnitten und anhand uni- und multivariater statistischer Methoden analysiert. Folgende Ergebnisse konnten dabei erzielt werden: (a) es können sieben Einzelparameter der Gewässerstruktur identifiziert werden, die einen signifikanten Einfluss auf die benthische Biozönose ausüben, (b) die Fließgewässertypen 5 und 5.1 unterscheiden sich auf Basis des vorliegenden Datensatzes weder in der taxonomischen noch in der funktionalen Zusammensetzung der Makrozoobenthoszönose und (c) bei einer erhöhten saprobiellen Belastung überlagert der Einfluss der organischen Belastung die strukturellen Gegebenheiten. Für die Entwicklung und Anpassung effizienter Strukturgüteverfahren und die daraus resultierenden Monitoring- und Maßnahmenprogramme für ein integriertes Fließgewässermanagement ist die Auswahl ökologisch relevanter Parameter von immenser Bedeutung. / The understanding about the development of benthic invertebrate communities as a function of abiotic influencing factors in aquatic ecosystems is of essential scientific relevance for the assessment of the ecological status of rivers and streams. For the development of interdependencies between benthic invertebrates, hydromorphology and saprobity, 409 species lists of the macroinvertebrates were provided. They were aggregated with morphological features and analysed with different uni- and multivariate statistical methods. On the basis of the used analyses, the following results were achieved: (a) seven ecological relevant morphological features with significant influence to benthic invertebrate community could be identified, (b) on the basis of the present database, the structural and functional composition of the benthic invertebrates can not be differ river type specific (type 5 and 5.1) and (c) if the saprobic pressure decrease, the organic pressure superpose the hydromorphology. The values of the biological attributes are low in spite of near natural morphological conditions. For an ecological efficiency stream habitat assessment, the identified relevant morphological parameters have to consider. The “morphological characteristic curves” are well describing the results of a local monitoring. This application-oriented instrument can be used for (a) the operationalisation of environmental objectives, (b) the development and adaption of monitoring strategies and (c) the derivation and prioritisation of ecological and economic efficiency measurements for an integrated river management.

Microbial and chemical processes in the sediment of standing waters have a big influence on the release of nutrients and the trophic state. Due to the strong interactions between sediment and water body and the storage of materials sediments can be consulted as an important additional source of information for the evaluation of the trophic state and for the estimation of future trophic developments. Because of relatively small fluctuations the parameters in the sediment and pore water are well suitable for a trophic validation. Sediments and pore water of four reservoirs with different trophic characteristics were sampled in regular intervals (Neunzehnhain I - oligotrophic; Muldenberg - oligotrophic, dystrophic; Saidenbach - mesotroph; Quitzdorf - polytrophic). Many chemical and microbial parameters were examined regarding the trophic dependancy and the possibility for including these parameters into a trophic evaluation system. The concentrations of SRP, ammonium, and alkalinity in the pore water and the metal:phosphorus-quotient (Al:P, Fe:P) in the dry sediment showed the biggest trophic dependancy, so that these parameters are applicable for a sediment referred trophic assessment of standing waters. The polytrophic reservoir Quitzdorf has exhibited an extreme abundance of the cyanobacterium Microcystis for years. Investigations of the water body showed that apart from parameters like the water temperature the mass growth of Microcystis in the reservoir is obviously very strongly affected by the nitrogen:phosphorus-quotients in the water body. In laboratory experiments with sediments of this reservoir the phosphorus release from the sediment could be significantly lowered by the addition of aluminum and a part of the phosphorus could be shifted from the reductively soluble iron bound phosphorus fraction into the stable aluminum bound phosphorus fraction. / Die chemischen und mikrobiellen Prozesse im Sediment von Standgewässern haben großen Einfluss auf die Freisetzung von Nährstoffen und die Trophie. Aufgrund der starken Wechselwirkungen zwischen Sediment und Wasserkörper und der Speicherung von Stoffen in den Sedimenten können Gewässersedimente als wichtige zusätzliche Informationsquelle für die Bewertung des Trophiezustandes und zur Abschätzung zukünftiger trophischer Entwicklungen herangezogen werden. Durch relativ geringe Schwankungen sind die Parameter im Sediment und Porenwasser gut für eine Trophieeinschätzung geeignet. Die Sedimente und das Porenwasser von vier Talsperren mit unterschiedlichen trophischen Eigenschaften wurden in regelmäßigen Abständen beprobt (Neunzehnhain I ? oligotroph; Muldenberg ? oligotroph, dystroph; Saidenbach ? mesotroph; Quitzdorf ? polytroph). Es wurden viele chemische und mikrobielle Parameter im Sediment und Porenwasser im Hinblick auf die Trophieabhängigkeit und eine mögliche Einbeziehbarkeit in ein trophisches Bewertungssystem untersucht. Die größte trophische Abhängigkeit konnte bei den Konzentrationen von SRP, Ammonium, und Alkalinität im Porenwasser und den Metall:Phosphor-Quotienten (Al:P, Fe:P) im Trockensediment gefunden werden, sodass diese Parameter gut für eine sedimentbezogene Trophiebewertung von stehenden Gewässern geeignet sind. Die polytrophe Talsperre Quitzdorf weist seit Jahren ein extremes Massenwachstum des Cyanobakteriums Microcystis auf. Untersuchungen des Wasserkörpers haben gezeigt, dass das Microcystis-Massenaufkommen in der Talsperre neben Parametern wie der Wassertemperatur offensichtlich sehr stark von den Stickstoff:Phosphor-Quotienten im Wasserkörper beeinflusst wird. Laborversuche mit Sedimenten dieser Talsperre haben ergeben, dass die P-Freisetzung aus dem Sediment durch die Zugabe von Aluminium signifikant herabgesetzt werden und ein Teil des Phosphors von der reduktiv löslichen eisengebundenen P-Fraktion in die stabile aluminiumgebundene P-Fraktion verlagert werden konnte.

Ziel der Arbeit war eine möglichst umfassende Analyse der Nahrungsbedingungen von D. galeata unter Berücksichtigung der damit verbundenen Strategien der Daphnien zur Optimierung des Nahrungserwerbs, um den Einfluß dieser Faktoren bezüglich des Auftretens einer Sommerdepression der Daphnien zu beurteilen. Aufbauend auf den bereits vorhandenen Kenntnissen aus der Literatur sollte dazu im Rahmen der Arbeit festgestellt werden, ob morphologische Veränderungen des Filtrationsapparates der Daphnien (Ausbildung großer, hydrodynamisch dichter Filter), die als Reaktion auf die geringen Nahrungsmengen im Klarwasserstadium auftreten, bei einer drastischen Erhöhung der Nahrungskonzentration zu einer "Überlastung" der Filterbeine der Daphnien, zu hohen Energieausgaben und schließlich zu erhöhter Mortalität (Sommerdepression) führen können. Hauptziel war dabei die Klärung der Frage, ob bottom-up gesteuerte schnelle Veränderungen im Nahrungsangebot, wie sie für geringe bottom-up Limitation (Hypertrophie) typisch sind, eine erhöhte Mortalität bei Daphnien hervorrufen können. Die Beantwortung dieser Fragestellung ist wichtig, um die Effizienz der top-down Steuerung (Biomanipulation) als ökotechnologische Maßnahme zur Gewässersanierung zu erhöhen. Dazu wurden in der biomanipulierten Talsperre Bautzen in drei Untersuchungsjahren (1997 - 1999) wichtige bottom-up wirkende Steuerfaktoren der Daphnienentwicklung sowie morphologische Charakteristika der Filterkämme und physiologische Leistungskriterien von D. galeata vor und während der Zeit des potentiellen Auftretens einer Sommerdepression untersucht. Aus den Ergebnissen ließ sich ableiten, daß das Zusammenspiel der vielfältigen Anpassungsmöglichkeiten der Daphnien in einem bestimmten Variationsbereich der Steuerfaktoren eine erfolgreiche Strategie zur Optimierung der Nahrungsaufnahme darstellen kann. Werden jedoch bestimmte Schwellenwerte über- oder unterschritten, ist eine Kompensation durch die Anpassungsstrategien nicht oder nur bedingt möglich. Dabei kann durch verschiedene Ursachen der gleiche Effekt (Mortalität adulter Daphnien) auftreten, was die Interpretation erschwert. Dieser Effekt wird besonders bei adulten Daphnien durch die gegenüber juvenilen Daphnien höheren Filterwiderstände und die damit verringerte effektive Energieaufnahme begünstigt. Erst wenn ungünstige Nahrungsbedingungen und die am Ende der Klarwasserphase beobachteten ungünstigen Konstellationen der Filterkämme zusammentreffen (timing), tritt die erhöhte Mortalität adulter Daphnien auf. Die Ergebnisse der Untersuchungen unterstreichen damit die Bedeutung von Ganzsee-Experimenten und die möglichst simultane Erfassung verschiedener Zustandsgrößen, um eine umfassende Kausalanalyse der Sommerdepression der Daphnien zu ermöglichen, zu der die vorliegende Arbeit einen Beitrag liefert. Für den Erfolg der Biomanipulation konnte daher geschlußfolgert werden, daß eine nachhaltige Wirkung nur dann erreicht werden kann, wenn zusätzlich zur top-down Steuerung des Nahrungsnetzes gleichzeitig eine erfolgreiche Kontrolle der bottom-up Prozesse im Gewässer realisiert wird, indem starke Schwankungen von bottom-up Faktoren vermieden werden und damit das System insgesamt stabilisiert wird. / The occurrence of midsummer declines of daphnids is often related to poor food conditions or fish predation. In this three-year-study on the midsummer decline of Daphnia galeata field investigations in the highly eutrophic biomanipulated Bautzen reservoir were combined with flow-through experiments in the laboratory. The following hypothesis was tested: The inability of adult Daphnia to reduce the filtering area of their feeding appendages in response to fast increasing food levels after a clear-water phase enhances adult mortality. During the clear-water phase daphnids develop large and dense filtercombs to optimise their filter feeding. When food concentrations increase, however, this adaptation to low-food situation may be inappropriate due to too high energy consumtion. As adult daphnids cannot reduce the size of their feeding appendages, the filtration process may be hindered when seston concentrations rise, resulting in reduced fitness and increasing adult mortality. Indeed, adult survival in the laboratory (predation excluded) drastically decreased exactly at that time when the Daphnia galeata population in Bautzen reservoir declined. However, enhanced mortality was found irrespective of different food conditions offered during the experiments. It is concluded that increased mortality of adult daphnids is not an direct effect of their inability to adapt the morphology of their filtercombs to high seston concentrations. Furthermore daphnids are able to compensate unfavorable food conditions within a certain range by different kinds of adaptation mechanisms. Therefore the timing of the changes of food conditions and the adaptations of daphnids is most important to the efficiency of energy gain of the daphnids. Concerning the success of biomanipulation it is concluded that in addition to the regulation of top-down mechanisms there is an urgent need for control of bottom-up processes in order to stabilize the ecosystem.

"Biomanipulation" was carried out in order to try and improve the water quality of six deep reservoirs situated in the catchment area of the River Wupper. All the reservoirs are deep, dimictic soft-water lake types, covering a range from oligo-/mesotrophic to eutrophic. Although changing the fishery management only by repeated fish stocking, in combination with implementating size and bag limits for recreational fisheries, is thought to have only limited success, we decided to put this type of "Biomanipulation" into practice. This whole-lake biomanipulation experiment, covering a time scale of more than ten years, aimed to address the following questions: 1. Is such a fishery-management strategy a useful water quality management tool in deep reservoirs, not only in maintaining but also in sustaining the best water quality conditions in relation to the given nutrient concentrations? 2. What are the underlying mechanisms? With the exception of the oligotrophic Große Dhünn Reservoir, "Biomanipulation" resulted in a shift of zooplankton body-size structure to larger daphnids in all the reservoirs. The underlying switch in the size shift from Daphnia cucullata to Daphnia galeata (Bever-Reservoir, Wupper-R, Lingese-R), or only in increasing individual body sizes of the Daphnia galeata population (Vorsperre Große Dhünn), occurred suddenly but only some years after the changes in fishery management were implemented. Our records of the fish stock suggest that indirect effects, presumably resulting from predator avoidance, must be a driving force. An increase of zooplankton body-size structure always resulted in an improvement in secchi-disk depth, often accompanied by a vertical restructuring of the water column favouring the development of metalimnetic algal populations. A decrease in summer chlorophyll concentrations in the trophogenic zone was only achieved in the slightly eutrophic reservoirs. This decrease in chlorophyll concentration was always accompanied by a decrease in the total phosphorus concentration in summer, while the total phosphorus concentration in spring remained unchanged. Thus, reduced P-availability, due to an increased vertical phosphorus flux, caused algal biomass to decline.These results support predictions from the size-efficiency hypothesis (Brooks & Dodson, 1965) but not those from the trophic cascade hypothesis (Carpenter et al., 1985). Undoubtedly the results underline the importance of indirect effects with respect to a successful "Biomanipulation" as predicted from the hypothesis of Biomanipulation Efficiency Threshold of P-loading (Benndorf, 1987). In summary, implementation of a correct fishery management strategy was shown to be a useful water quality management tool, not only in maintaining but also in sustaining the best water quality conditions, in relation to the given nutrient concentrations in these deep reservoirs. / In sechs Mittelgebirgstalsperren im Einzugsgebiet der Wupper erfolgte eine Umstellung der fischereilichen Bewirtschaftung mit dem Ziel, die Gewässergüte dieser Talsperren durch Absenkung der Zooplanktivorie zu verbessern und auf einem hohen Niveau zu stabilisieren. Vom Gewässercharakter her handelt es sich bei den Talsperren um klare tiefe Weichwasserseen, welche den oligo-/mesotrophen bis eutrophen Bereich abdecken. Die hier genutzte Methode einer ordnungsgemäßen fischereilichen Bewirtschaftung (Nahrungsnetzbewirtschaftung), welche sich zum Auf- und Umbau der Fischbestände auf Besatz- und Hegemaßnahmen stützt und dabei bewusst auf massive Eingriffe verzichtet, gelangte bisher nur in wenigen Fällen zur ausschließlichen Anwendung und wird allgemein als wenig erfolgversprechend eingestuft. Ziel dieser mehrjährigen Ökosystemuntersuchungen mit anwendungsorientiertem Ansatz ist eine Antwort auf die Frage nach der Praxistauglichkeit und den Grenzen des Instruments der Nahrungsnetzbewirtschaftung in Mittelgebirgstalsperren. Die Analyse der Ergebnisse versucht die zugrundeliegenden Mechanismen und Randbedingungen herauszuarbeiten, welche für die Wirkungsentfaltung der den Erfolg einer Nahrungsnetzbewirtschaftung tragenden Kräfte auf ökosystemarer Ebene verantwortlich sind. Mit Ausnahme der oligotrophen Großen Dhünn-Talsperre konnte in allen Gewässern eine adäquate Reaktion des Zooplanktons durch Umstellung der fischereilichen Bewirtschaftung erzielt werden. Im Einklang mit der Hypothese einer kritischen Schwelle der Planktivorie erfolgten die Reaktionen sprunghaft, aber erst nach mehreren Jahren und manifestieren sich durch einen "switch" von Daphnia cucullata zum größeren Daphnia galeata-Komplex (Bever-Talsperre, Wupper-T, Lingese-T), teils durch Körpergrößenzunahme des Daphnia galeata-Komplexes (Vorsperre Große Dhünn). Wie die Fischbestandsdaten nahe legen, kommt den indirekten, vermutlich aus einer Räuber-Vermeidungsreaktion resultierenden Effekten, hierbei eine Schlüsselposition zu. Parallel mit der Veränderung des Zooplankton-Größenspektrums kommt es stets zu einer Erhöhung der sommerlichen Sichttiefen, welche vielfach von einer vertikalen Neustrukturierung der Algenentwicklung im Wasserkörper begleitet ist. Eine Absenkung der sommerlichen Chlorophyll-Konzentrationen in der trophogenen konnte hingegen nur in den schwach eutrophen Talsperren beobachtet werden und war stets von einer erhöhten Absenkung der sommerlichen gegenüber den frühjährlichen Gesamtphosphor-Konzentrationen begleitet. Entsprechend muss die Absenkung der sommerlichen Chlorophyll-Konzentrationen auf eine erhöhte Phosphor-Sedimentation zurückgeführt werden.Die Ergebnisse der fischereilichen Bewirtschaftungsmaßnahmen stehen im Einklang mit den Vorhersagen der size-efficiency Hypothese (Brooks & Dodson, 1965), stützen aber nicht die Vorhersagen der trophic cascade Hypothese (Carpenter et al., 1985). Demgegenüber unterstreichen sie die Bedeutung indirekter Effekte, wie sie durch die These einer "Biomanipulationseffektivitätsschwelle der Phosphor-Belastung" (Benndorf, 1987) formuliert werden. Insgesamt erweist sich das Instrument der Nahrungsnetzbewirtschaftung als zwingender Baustein einer integrierten Wasserwirtschaft zur Sicherung der Gewässergüte in Mittelgebirgstalsperren, dessen soziökonomische Aspekte in der Arbeit angesprochen werden.