Fecal indicator organisms such as Escherichia coli, enterococci, and coliphages are important to assess, monitor, and predict microbial water quality in natural freshwater ecosystems. To improve predictive modelling of fecal indicators in surface waters, it is vital to assess the influence of autochthonous and allochthonous environmental factors on microbial water quality in riverine systems. To better understand how environmental conditions influence the fate of fecal indicators under varying weather conditions, the interdependencies of environmental parameters and concentrations of E. coli, intestinal enterococci, and somatic coliphages were studied at two rivers (Rhine and Moselle in Rhineland-Palatinate, Germany) over a period of 2 years that exhibited contrasting hydrological conditions. Both riverine sampling sites were subject to similar meteorological conditions based on spatial proximity, but differed in hydrodynamics and hydrochemistry, thus providing further insight into the role of river-specific determinants on fecal indicator concentrations. Furthermore, a Bayesian multiple linear regression approach that complies with the European Bathing Water Directive was applied to both rivers’ datasets to test model transferability and the validity of microbial water quality predictions in riverine systems under varying flow regimes. According to multivariate statistical analyses, rainfall events and high water discharge favored the input and dissemination of fecal indicators in both rivers. As expected, concentrations declined with rising global solar irradiance, water temperature, and pH. While variations in coliphage concentrations were predominantly driven by hydro-meteorological factors, bacterial indicator concentrations were strongly influenced by autochthonous biotic factors related to primary production. This was more pronounced under low flow conditions accompanied by strong phytoplankton blooms. Strong seasonal variations pointed towards bacterial indicator losses due to grazing activities. The Bayesian linear regression approach provided appropriate water quality predictions at the Rhine sampling site based on discharge, global solar irradiance, and rainfall as fecal indicator distributions were predominantly driven by hydro-meteorological factors. Assessment of microbial water quality predictions implied that rivers characterized by strong hydrodynamics qualify for multiple linear regression models using readily measurable hydro-meteorological parameters. In rivers where trophic interactions exceed hydrodynamic influences, such as the Moselle, viral indicators may pose a more reliable response variable in statistical models.

Der Großteil von Seen und Flüssen in Deutschland befindet sich nicht in dem von der europäischen Wasserrahmenrichtlinie geforderten guten ökologischen Zustand. Die Ursache hierfür besteht in den meisten Gewässern nach wie vor in zu hohen Nährstoffbelastungen. Dadurch wird besonders im Sommer das Wachstum des Phytoplanktons (Algen) gefördert, das Wasser wird trübe, zeitweise sauerstoffarm und riecht unangenehm. Solche Gewässer stellen für viele Tiere und Pflanzen keinen geeigneten Lebensraum dar und sind für den Menschen unattraktiv. Die Hauptnährstoffe, um die es dabei geht, sind Stickstoff und Phosphor. Dabei galt Phosphor (P) lange Zeit als der begrenzende Faktor der Phytoplanktonbiomasse in Binnengewässern: Je geringer die PKonzentration desto geringer die Biomasse und desto besser die Gewässergüte. Dies ist bis heute Lehrbuchmeinung. In der Praxis wurde und wird daher auf eine Senkung der Phosphorkonzentrationen gesetzt, was in vielen, aber längst nicht allen Gewässern zum Erfolg führte. Deutlich weniger Studien zeigten, dass Stickstoff die Phytoplanktonbiomasse begrenzt, was allerdings auch darauf zurückzuführen ist, dass deutlich weniger Studien zum Einfluss von Stickstoff durchgeführt wurden. Eine systematische Analyse zur Bedeutung von Phosphor im Vergleich zu Stickstoff fehlte bisher. Bis heute wird daher die Bedeutung von Stickstoff als begrenzender Faktor der Phytoplanktonbiomasse weitgehend negiert. In NITROLIMIT I (2011 - 2013) wurde dagegen gezeigt, dass die Algenbiomasse in fast der Hälfte der Seen der Norddeutschen Tiefebene durch N begrenzt wird. In der Praxis wird bislang die gezielte Reduktion von Stickstoffeinträgen abgelehnt, weil man befürchtet, dass dies besonders in Seen durch Stickstofffixierung von Cyanobakterien ausgeglichen werden kann und sinkende Nitratkonzentrationen die Freisetzung von Phosphor aus den Gewässersedimenten steigern. Beides könnte einer Verbesserung der Gewässergüte entgegenwirken. Für diese Argumente fehlte jedoch eine fundierte wissenschaftliche Grundlage. Stickstoff wird sowohl in Seen als auch in Fließgewässern intensiv umgesetzt und kann über verschiedene mikrobielle Umsatzprozesse (insbesondere Denitrifikation) auch wieder aus dem System entfernt werden. Fließgewässer transportieren schließlich die nicht zurückgehaltenen Nährstoffe aus den Einzugsgebieten in die Ästuare, Küstengewässer und Meere, wo in weiten Bereichen Stickstoff der limitierende Nährstoff ist. Über den Umsatz und den Rückhalt von Stickstoff in großen Flüssen bestehen bis heute allerdings große Unsicherheiten. Zur Beantwortung der Frage „Ist Stickstoffreduktion ökologisch sinnvoll?“ bestand daher umfangreicher Forschungsbedarf. Die bisherige Strategie zur Verbesserung der Gewässergüte zielte auf Minderung der Phosphorkonzentration ab. Hierzu existieren Erfahrungswerte zu Wirkung und Kosten von Maßnahmen. Viele Maßnahmen zur Phosphorreduktion gehen zu einem gewissen Teil auch mit Stickstoffreduktion einher. Der Erfolg der Begleiterscheinung „Stickstoffreduktion“ wurde jedoch meist nicht analysiert. Fallstudien zur Verbesserung der Gewässergüte durch gezielte Stickstoffminderung wurden bisher nicht durchgeführt, weshalb Daten und Erfahrungen zu Kosten und Wirksamkeit solcher Maßnahmen fehlen. Unabhängig davon, ob eine Verbesserung der Gewässergüte über Phosphor- oder Stickstoffreduktion angestrebt wurde, fehlte bisher eine Strategie, nach der im Voraus Kosten, Wirksamkeit und Nutzen ermittelt und abgewogen werden. Daher bestand auch zur Beantwortung der Frage, „Ist Stickstoffreduktion wirtschaftlich vertretbar?“ deutlicher Forschungsbedarf.

Der Großteil der bundesdeutschen Binnengewässer wird bis 2015 nicht den guten ökologischen Zustand erreichen, der von der EU-Wasserrahmenrichtlinie gefordert wird. Bisher ging man davon aus, dass die Gewässergüte in erster Linie durch Phosphor bestimmt wird. In jüngster Zeit mehrten sich aber Hinweise, dass in vielen Gewässern auch Stickstoff eine entscheidende Steuergröße der Phytoplanktonentwicklung darstellt. Daher wird die Reduzierung von Stickstoffeinträgen gefordert. Die Kosten für Maßnahmen zur Reduktion der Stickstoffeinträge aus punktuellen (beispielsweise Kläranlagen) und diffusen Quellen (beispielsweise aus der Landwirtschaft) werden um ein Vielfaches höher geschätzt im Vergleich zu Maßnahmen zur Reduktion von Phosphoreinträgen. Ob Maßnahmen zur Stickstoffreduktion ökologisch wirksam werden, kann aufgrund unzureichender Kenntnisse zur Herkunft, Umsetzung und Wirkung von Stickstoff derzeit nicht eingeschätzt werden. Daher fordern öffentliche und wirtschaftliche Maßnahmenträger nachdrücklich eine Klärung des Nutzens von Stickstoffelimination. An diesem Punkt setzt NITROLIMIT an. Es sollte eine fundierte wissenschaftliche Grundlage zur Beurteilung des Einflusses von Stickstoff auf die Gewässergüte geschaffen, die Kosten und Nutzen von Maßnahmen zur Verringerung von Stickstoffeinträgen analysiert und darauf basierend Empfehlungen für eine nachhaltige Gewässerbewirtschaftung erarbeitet werden.

Flussökosysteme basieren auf dem komplexen Zusammenspiel physikalischer und biogeochemischer Prozesse. Ein mögliches Hilfsmittel zum Verständnis dieses Zusammenspiels sind Fließgewässergütemodelle (FGM): numerische, dynamische Modelle, welche die Interaktion empirisch bekannter biogeochemischer Prozesse abbilden und eine prozessbasierte Auswertung zulassen. FGM, wie sie im Folgenden verstanden werden, betrachten deterministische, biogeochemische Prozesse, die im Gewässer ablaufen, beispielsweise das Wachstum von Algenbiomasse auf der Grundlage von verfügbaren Nährstoffen und Licht. Sie unterscheiden sich dadurch deutlich von den folgenden Modelltypen, die in diesem Artikel nicht behandelt werden: (i) Rein hydraulische Modelle, welche die Strömung, Wasserstände sowie turbulente Mischung in Fließgewässern berechnen (z. B. das Modell EFDC der amerikanischen Umweltbehörde EPA (HAMRICK 1992) oder das kommerzielle Modell Telemac (GALLAND et al. 1991)). Eine Berechnung des Abflusses ist zwar die Basis aller FGM, wird aber im Folgenden nur kurz für die eindimensionale Näherung beschrieben. (ii) Stoffflussmodelle, welche eine Berechnung der Stofffrachten zum Ziel haben und Hydraulik und Transformationsprozesse im Gewässer nicht oder stark vereinfacht abbilden. Solche Modelle erlauben eine Aggregation von Stofffrachten, die über das eigentliche Gewässer hinausgeht, beispielsweise für gesamte Einzugsgebiete (z. B. MONERIS, BEHRENDT et al. (2000), oder SWAT, NEITSCH et al. (2001)) oder für städtische Wasserkreisläufe (MÖLLER et al. 2008). (iii) Modelle, die multitrophische Interaktionen in Fließgewässern abbilden und dadurch die Auswertung von Nahrungsketten ermöglichen (z. B. WOOTTON et al. 1996). Solche „multitrophischen Modelle“ werden hauptsächlich für akademische Fragestellungen eingesetzt. Im Gegensatz zu FGM betrachten sie ausschließlich die Interaktionen zwischen Spezies ohne Berücksichtigung deterministischer, biogeochemischer Prozesse. FGM koppeln eine hydraulische Modellierung des Abflusses in Fließgewässern mit der eigentlichen Gütemodellierung. Darin sind sie eng verwandt mit Gütemodellen für Seen, die im Artikel III-5.2 „Komplexe dynamische Seenmodelle“ beschrieben werden. Der große Unterschied zur Seenmodellierung ist der Umstand, dass FGM biogeochemische Prozesse in abfließenden Wasserpaketen betrachten. Die einzelnen Wasserpakete sind dadurch weitgehend unabhängig voneinander (abgesehen von der Dispersion, s. Abschnitt 3.2). Zudem beträgt die Fließzeit dieser Wasserpakete selbst in großen Flüssen lediglich Tage bis wenige Wochen. Dadurch ist die Entwicklung der Wasserqualität in FGM meist sehr viel stärker von den Randbedingungen an den oberen Rändern abhängig als bei Seenmodellen. Ein Einfluss der zurückliegenden Wasserqualität ist in FGM über das Sediment möglich, welches durch die meist geringen Wassertiefen ganzjährig einen Effekt auf die Wasserqualität im Fließgewässer haben kann. Wie bei Seenmodellen können Fließgewässer dreidimensional oder in zwei- oder eindimensionaler Vereinfachung simuliert werden. Während dreidimensionale hydraulische Modelle oft eingesetzt werden, gibt es kaum Beispiele von dreidimensionalen Güterechnungen. Neben dem Rechenaufwand verhindern auch der große Bedarf an Messungen für Kalibrierung und Validierung der Modellergebnisse sowie der große Aufwand bei der Datenauswertung einen häufigeren Einsatz. Entsprechend wird in der Folge in erster Linie auf eindimensionale Modellanwendungen eingegangen, also auf Modelle, die eine räumliche Dimension in Fließrichtung und eine zeitliche Dimension umfassen. Die beschriebenen biogeochemischen Prozesse sind aber auf höherdimensionale Modelle übertragbar. In dem folgenden Artikel wird zunächst auf die Ziele (Abschnitt 2) sowie den grundsätzlichen Aufbau von FGM (Abschnitt 3) eingegangen, wobei die Abbildung biogeochemischer Prozesse in etwas größerer Tiefe beschrieben wird. Danach wird auf existierende Modellsoftware (Abschnitt 4) sowie praktische Empfehlungen zum Vorgehen bei deren Gebrauch (Abschnitt 5) eingegangen. Zur konkreten Anwendung folgen zwei Beispiele der Modelle QSim und AQUASIM (Abschnitt 6). Da dieser Artikel nur einen groben Überblick über FGM geben kann, wird zum Schluss auf weiterführende Literatur verwiesen, die zukünftige Modellanwender unterstützen kann.