Überwachung der Wasserqualität

Unterwasser-Abwasserrohr. Foto © Grafner/iStock

Um zu verstehen, ob die Abwasserverschmutzung eine bestimmte Umgebung beeinträchtigt, oder um die Quelle und das Ausmaß des Problems zu ermitteln, ist es für Manager wichtig, Ausgangsbedingungen festzulegen und ein Überwachungsprogramm aufzustellen. Selbst kleinste Bemusterungsprojekte profitieren von einer sorgfältigen Planung, um das Problem zu identifizieren, klare Methoden und Schritte zur Qualitätssicherung zu definieren und Datenverarbeitungs- und Kommunikationspläne zu berücksichtigen.

Die wichtigsten Phasen eines Wasserqualitätsprogramms sind:

  1. Definiere das Problem. Welche potenziellen Auswirkungen auf das Abwasser hoffen Sie zu ermitteln? Welche Daten liegen bereits vor, etwa standortspezifische Informationen zur Abwasserinfrastruktur?
  2. Führen Sie eine gezielte Überwachung der Wasserqualität durch und nutzen Sie Prozesse, die nach Möglichkeit den Input von Experten einbeziehen (z. B. welche Standorte überwacht werden sollen, auf welche Indikatoren Sie sich konzentrieren sollten, wie werden Daten gesammelt).
  3. Entwickeln und implementieren Sie fortgeschrittene Studien, um Verschmutzungsquellen aufzuspüren.
  4. Analysieren und fassen Sie Daten für die Kommunikation mit Partnern, Entscheidungsträgern und anderen wichtigen Stakeholdern zusammen und berücksichtigen Sie dabei, welche Daten für Ihr Publikum attraktiv sind.
  5. Verwenden Sie die Informationen, um einen Planungsprozess oder eine Managementmaßnahme zu leiten.

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Um Veränderungen der Wasserqualität im Zusammenhang mit Abwasser zu erkennen, sollten Riffmanager die Messung der folgenden Indikatoren in Betracht ziehen:

Stickstoff und Phosphor, essentielle Nährstoffe für Pflanzen und Tiere, sind häufige Indikatoren für Nährstoffe. Zu den Stickstoffquellen gehören Abwässer aus Kläranlagen, Abwässer von gedüngten Rasenflächen und Ackerland, Senkgruben und versagenden Kläranlagen, Abwässer aus Tierdung und Lagerbereichen sowie Industrieabwässer, die Korrosionsinhibitoren enthalten. Übliche Messungen von Stickstoff und Phosphor umfassen: Gesamtstickstoff (alle organischen und anorganischen, gelösten und partikulären Formen von Stickstoff in einer Probe), Ammoniak, Nitrate, Nitrite und Gesamtphosphor (alle Formen von Phosphor).

Schließlich ist Silikat ein wichtiges chemisches Maß, das eine Signatur des Grundwassers ist. Hohe Silikate weisen auf Süßwasserquellen hin. Silikat wird normalerweise zusammen mit Nitrat und Phosphat in einem Labor gemessen. Diese Indikatoren können von einem Autoanalyzer oder einer Laboreinrichtung für ~50 USD/Probe gemessen werden.

Der Salzgehalt kann kostengünstig mit einem Refraktometer und die Temperatur mit einem tragbaren Sensor gemessen werden. Der Salzgehalt kann besonders nützlich sein, wenn Sie Standorte für die Langzeitüberwachung identifizieren.

Gelöster Sauerstoff (DO) ist aufgrund seines Einflusses auf Meeresorganismen ein wichtiger Parameter bei der Beurteilung der Wasserqualität.

Ein niedriger Sauerstoffgehalt kann auf eine Fülle von Phytoplankton oder Bakterien hinweisen, die Sauerstoff verbrauchen. Der Sauerstoffgehalt wird mit einem kalibrierten Multiparameter-Wasserqualitätsmessgerät – oder einer Sonde – gemessen (Kosten: ca. 1,000–15,000 USD).

Die Trübung – ein wichtiger Test für die Wasserklarheit, der durch Phytoplankton beeinflusst werden könnte – wird üblicherweise mit einer Secchi-Scheibe bewertet, um die Eindringtiefe des Sonnenlichts zu messen.

Andere tragbare digitale Methoden, wie ein Leitfähigkeits- und Trübungsmessgerät, verbessern die Fähigkeit, Daten in Echtzeit zu sammeln, erfordern jedoch Wartung und Kalibrierung.

Fäkalindikatorbakterien (FIB) aus menschlichen Abfällen wie E. coli, Enterococcus, oder C. perfringens kann verwendet werden, um Abwasser zu identifizieren. Es wurden einfache Feldtests entwickelt, die auf FIB in Wasser testen. Ein Beispiel ist in der Fall des ländlichen Tansania Hier wurden 433 Haushalten Schwefelwasserstofftests zur Verfügung gestellt, die es ihnen ermöglichten, ihre eigenen Wasserquellen zu überwachen und fundierte Entscheidungen über Wassersicherheit und -aufbereitung zu treffen. Leider ist die Bakterienkonzentration in Küstenregionen für Meeresmanager in der Regel zu niedrig für diese Art von Feldversuchen und es sind Laboranalysen erforderlich, um sie zu erkennen.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Wasserproben zu entnehmen und FIB-Tests mithilfe eines Satellitenlabors (ca. 3,000 USD) oder einer herkömmlichen Labor- und Kultivierungsmethode wie dem von Surfrider verwendeten Enterolert-Test (IDEXX) durchzuführen, der etwa 11 USD/Probe kostet.

Chlorophyll a ist das wichtigste grüne photosynthetische Pigment, das in allen Pflanzen einschließlich phytoplanktonischer Algen vorkommt, und ein Stellvertreter für planktonische Primärproduzenten. Die Konzentration von Chlorophyll a in Korallenriffgewässern ist ein Indikator für die Häufigkeit und Biomasse des Phytoplanktons, das für die meisten Meerestiere die direkte oder indirekte Nahrungsquelle darstellt. Wenig Chlorophyll a Die Werte deuten auf einen guten Wasserzustand hin. Problematisch ist jedoch die langfristige Persistenz erhöhter Spiegel, so dass Chlorophyll a sollten mindestens monatlich überwacht werden, um saisonale Veränderungen der Phytoplankton-Biomasse zu quantifizieren. Chlorophyll a kann mit Filter- und Laborgeräten gemessen werden und kostet bei Versand an ein Labor ~20 USD/Probe.

Diese Daten können Muster und große Veränderungen erkennen, wenn sie über viele Jahre gesammelt werden. Manager können diese Informationen nutzen, um Daten/Muster zur Wasserqualität mit Mustern der Korallengesundheit und der prozentualen Korallenbedeckung zu korrelieren. Diese Indikatoren sind auch relativ kosteneffizient. Es gibt mehrere Feldtests, die mit tragbaren Kits oder relativ kostengünstigen (< 1,000 USD) Handgeräten durchgeführt werden können. Für diese Feldtests sind Wasserproben in kleinen Mengen erforderlich und die Ergebnisse liefern innerhalb von Minuten. Für Manager, die nur begrenzt Zeit oder Budget haben, um sich auf ein Überwachungsprogramm einzulassen, sind dies die ersten Methoden, die verwendet werden können. Manager könnten darüber nachdenken, wo die Nachweisgrenzen für diese Methoden liegen und ob sie in ihrer Region geeignet sind. In klarem Meerwasser kann es beispielsweise schwierig sein, Chlorophyll aufzunehmen a Signal oder verwenden Sie eine Secchi-Scheibe.

Tests zur Erkennung von Veränderungen der Wasserqualität:

ANZEIGEPRÜFVERFAHREN/MATERIALIEN
Chlorophyll aChlorophyll-Messgerät
DO (gelöster Sauerstoff)Sensormessung oder Kalorimeter
Gesamtzahl der gelösten Feststoffe (TDS) oder TrübungSecchi-Scheibe, Trübungsmesser oder Sensoren

Es ist wichtig anzuerkennen, dass diese Indikatoren nicht direkt auf eine Abwasserverschmutzung hinweisen, da andere Quellen oder Faktoren zu veränderten Werten beitragen können. Beispielsweise könnten Nährstoffe aus der Landwirtschaft oder der Entwicklung stammen, und fäkale Indikatorbakterien können auch von Tieren oder Böden stammen.

Aufspüren von Verschmutzungsquellen

Die Feststellung des Vorhandenseins von Abwasser im Meer ist schwierig und erfordert mehrere Tests, um verschiedene Schadstoffe zu identifizieren, die häufig im Abwasser vorkommen. Anspruchsvollere Tests zur Messung von Stickstoffisotopen und Schadstoffen menschlicher Herkunft wie Arzneimittel und organische Abfallverbindungen wie Waschmittelmetaboliten oder Lebensmittelzusatzstoffe können dabei helfen, Abwasser und seine Quelle(n) zu bestätigen.

Es gibt Tests, die spezifischere Messungen liefern und Schadstoffe identifizieren können, die häufiger mit Abwasser in Zusammenhang stehen. Ihre Durchführung ist jedoch oft teuer, da sie den Zugriff auf spezielle, teure Maschinen und geschulte Techniker erfordern.

Tests zum Aufspüren von Verschmutzungsquellen:

ANZEIGETESTMETHODE
KoffeinMassenspektrometer
DNALabortest (eDNA qPCR oder Fluoreszenzquantifizierung)
MedizinELISA, Bioassays
Endokrine Disruptoren (zB Östrogen)Massenspektrometrie, Bioassays (Exposition von Fisch- oder Gewebekulturen)
Bakterien (E. coli, E. faecalis, C. perfringens)Quantifizierungsmessung durch heterotrophe Plattenzählung, Microarray oder qPCR
MetallindustrieMassenspektrometer
StickstoffisotopeMassenspektrometer
SteroleMassenspektrometer
SucraloseMassenspektrometer

Wasserproben werden im Feld entnommen und erfordern oft große Volumina, die konzentriert werden müssen, um die Analyse durchzuführen. Wenn kein Labor in der Nähe ist, können Proben versandt werden, aber Temperatur, Zeit und Kosten sind Einschränkungen. Es wird empfohlen, dass Manager an der Schaffung von Kooperationen oder Partnerschaften mit lokalen Universitäten arbeiten, die sich oft freuen, wenn Studenten an realen Problemen arbeiten, und dazu beitragen können, die Kosten für Probenanalysen und Datenanalysen durch Zuschüsse zu kompensieren. Jeder Wasserqualitätsindikator trägt zu unserem Verständnis der Schadstoffe in unserem Wasser bei. Überwachungs- und Analysestrategien, die Messungen mehrerer Indikatoren zusammenstellen, kombiniert mit der Kartierung von Einleitungsstellen, können die Arten und Quellen der Abwasserverschmutzung genauer bestimmen.

Ausführlichere Methoden zur Überwachung der Wasserqualität finden Sie im Abschnitt „Ressourcen“.

 

Beispiele für Überwachungsprogramme

  • Hui O Ka Wai Ola auf Maui, Hawaii, ist ein Wasserqualitätsprobenahmeprogramm, dessen Aufgabe es ist, das Verständnis der Küstenwasserqualität von Maui durch Wissenschaft und Interessenvertretung zu vertiefen, um positive Veränderungen zu beschleunigen.
  • Freiwillige sammeln Wasserproben, um Trübung und Nitrate mithilfe standardisierter EPA-Methoden zu verfolgen, die vom Gesundheitsministerium des Bundesstaates Hawaii genehmigt wurden. Proben und Daten werden von freiwilligen Bürgerwissenschaftlern gesammelt und für die Entscheidungsfindung in Bezug auf Wasserqualitätsstandards und Managementpläne verwendet.
  • Daten aus Feldprobennahmen werden in einer Datenbank konsolidiert, um die laufende Überwachung zu unterstützen und bei der Analyse, zur Verfolgung von Verschmutzungsereignissen und zur Erkennung von Wasserqualitäts- und Korallenrifftrends im Laufe der Zeit verwendet zu werden.
  • Das Ziel des Surfrider Bluewater Task Force-Programms besteht darin, das Bewusstsein für lokale Verschmutzungsprobleme zu schärfen und Gemeinden zusammenzubringen, um Lösungen umzusetzen.
  • Es umfasst 50 von Kapiteln geleitete Labore und Freiwillige, die die Wasserqualität an Surfstränden testen, darunter in Hawaii, Florida und Puerto Rico.
  • Bei den Wassertests werden fäkale Indikatorbakterien (Enterococcus-Bakterien, die sich vom Maui-Programm unterscheiden, das Trübung und Nitrate testet) gemessen, verschiedene Verschmutzungsquellen (Abflussrohre usw.) getestet und dann mit den von der EPA festgelegten Wasserqualitätsstandards verglichen Schutz der öffentlichen Gesundheit in Freizeitgewässern.

Daten für Überwachungsprogramme

Es sind innovative und kostengünstige Mess- und Berichtstools erforderlich, um Meeresmanagern dabei zu helfen, Probleme und Quellen der Abwasserverschmutzung auf weniger ressourcenintensive Weise aufzudecken. Daten wie Visualisierungen und Modellierung, Fernerkundung und räumliche Bilder ergänzen die Bemühungen zur Überwachung der Abwasserverschmutzung und helfen bei der Information über Managementmaßnahmen. Mithilfe lokaler Daten erstellte Modelle können bei der Vorhersage der Wasserqualität besonders nützlich sein.

Andere Tools sammeln globale Daten zu Algenblüten, Korallenbleichen, Meeresoberflächenschwankungen und Eutrophierungspotenzial, die lokale Anwendung und Relevanz haben. Öffentlich verfügbare Daten können mit lokalen geografischen Daten kombiniert werden, beispielsweise mit Standorten von Kläranlagen, um Verschmutzungsquellen zu verstehen. Manager können diese Daten auch mit Feld- und Labortests kombinieren, um die Grundbedingungen zu verstehen, Überwachungstests zu priorisieren und Datenlücken zu identifizieren, um Veränderungen der Wasserqualität im Laufe der Zeit besser zu quantifizieren. Beispiele für diese Online-Datenplattformen/Visualisierungstools sind:

  • Ozean Tipping Points, das quantifizierbare Messwerte der Wasserqualität (wie Stickstoff- und Phosphorgehalt) mit beobachteten Riffbedingungen in einer interaktiven Karte präsentiert. Dieses Tool stellt einen Datensatz für die Hawaii-Inseln bereit und unterstützt Managementmaßnahmen zum Schutz von Riffökosystemen. Es enthält auch eine Nährstoffschicht, die mithilfe des InVEST NDR-Modells erstellt wurde, das Stickstoff- und Phosphorquellen im Großen und Ganzen berücksichtigt.
  • Allen Korallenatlas, das hochauflösende Satellitenbilder und fortschrittliche Analysen nutzt, um die Korallenriffe der Welt in beispielloser Detailgenauigkeit zu kartieren. Es wurde eine neue Trübungsschicht hinzugefügt, die für die Überwachung der Wasserqualität hilfreich sein könnte. Diese Produkte unterstützen die Korallenriffwissenschaft, das Management, den Schutz und die Politik auf der ganzen Welt.

Wie die Überwachung Abwasservorschriften beeinflussen kann

Vorschriften können zur Eindämmung der Abwasserverschmutzung beitragen, indem sie beispielsweise Daten zu Verschmutzungsschwellen bereitstellen. Anschließend könnten lokale Vorschriften eingeführt werden, um zu verhindern, dass im Abwasser enthaltene Schadstoffe den Schwellenwert erreichen. Mit definierten Verschmutzungsschwellen können Gemeinden besser bestimmen, wann konkrete Maßnahmen ergriffen werden sollten, etwa die Schließung von Stränden für Erholungszwecke oder die Ausgabe einer Warnung zum Abkochen von Wasser. Allerdings können Inkonsistenzen bei den Vorschriften eine komplexe Herausforderung für Abwassermanager darstellen, was die Festlegung und Durchsetzung von Schwellenwerten erschwert.

Die US-Umweltschutzbehörde (EPA) hat mehrere Instrumente implementiert, um Schadstoffschwellenwerte für Gewässer und Wasserlebewesen festzulegen. Ein häufig verwendeter Schwellenwert ist die maximale tägliche Gesamtbelastung (Total Maximum Daily Load, TMDL), die die Menge eines bestimmten Schadstoffs begrenzt, die in ein Gewässer gelangen darf. Dies ist besonders wirksam bei Schadstoffen aus dem Abwasser Nichtpunktquellen. Einige der zusätzlichen EPA-Tools umfassen Nährstoffdatenebenen (NPDAT), ein Programm zur Modellierung der Wasserqualität (WESPE) und ein diagnostisches Instrument für biologische Beeinträchtigungen (CADDIS). Diese Tools können Managern dabei helfen, Grenzwerte für die Abwasserverschmutzung zu ermitteln und durchzusetzen.

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