Aufgaben: Abfall und Biodiversität

Definieren Sie, was ein Xenobiotikum ist, und nennen Sie zwei Beispiele. Erklären Sie, warum Destruenten Schwierigkeiten haben, diese Stoffe abzubauen.

Unterscheiden Sie Bioakkumulation und Biomagnifikation anhand einer von Ihnen gewählten marinen Nahrungskette mit drei Ebenen.

Nennen Sie die Abfallhierarchie (vermeiden, wiederverwenden, recyceln, verwerten und beseitigen), geordnet von der am meisten zur am wenigsten empfehlenswerten Stufe, und geben Sie für jede Stufe ein Alltagsbeispiel an.

Erklären Sie den Unterschied zwischen einer geordneten Deponie und einer wilden Müllkippe und nennen Sie zwei Umweltrisiken der Letzteren (Sickerwasser, Gase, Brände, Vermehrung von Krankheitsüberträgern).

Erklären Sie, was die Kreislaufwirtschaft ist und worin sie sich vom linearen Modell „gewinnen, herstellen, nutzen, wegwerfen“ unterscheidet, und geben Sie ein Beispiel für ein nach Kreislaufkriterien neu gestaltetes Produkt.

Was ist Kompostierung? Geben Sie an, welche Abfälle dafür geeignet sind und welche nicht, erklären Sie, welcher biologische Prozess im Komposthaufen abläuft (aerobe Zersetzung) und welches Produkt entsteht und wofür es dient.

Definieren Sie Biodiversität und erklären Sie ihre drei Ebenen – genetische Vielfalt, Artenvielfalt und Ökosystemvielfalt – mit je einem Beispiel.

Erklären Sie, was eine gebietsfremde Art ist und unter welchen Bedingungen sie als invasiv gilt, und nennen Sie ein Beispiel für eine nicht invasive gebietsfremde Art in Spanien und eines für eine invasive.

Das Schema zeigt die Konzentration eines persistenten Pestizids in einer Nahrungskette einer Bucht. Berechnen Sie den Biomagnifikationsfaktor zwischen dem Wasser und den fischfressenden Vögeln (mit „?“ markiert) und erklären Sie, warum die Endkonsumenten immer am stärksten betroffen sind.

Erklären Sie, was Mikroplastik ist, welche zwei Hauptursprünge es hat und warum es so schwierig ist, es aus dem Ozean zu entfernen. Schlagen Sie zwei wirksame Maßnahmen vor, um seinen Eintrag ins Meer zu verringern.

Setzen Sie den Verlust an Biodiversität mit dem Verlust von Ökosystemleistungen in Beziehung, anhand von zwei konkreten Beispielen (zum Beispiel Bestäuber, Feuchtgebiete oder Riffe), und geben Sie an, welche Art von Leistung jeweils beeinträchtigt wird.

Die Behörden empfehlen, den Verzehr von Thunfisch und Schwertfisch (in Spanien auch „Emperador“ genannt) einzuschränken, besonders für Schwangere und Kinder, wegen ihres Quecksilbergehalts. Erklären Sie mithilfe der Begriffe Persistenz, Bioakkumulation und Biomagnifikation, warum sich Quecksilber gerade in den großen Raubfischen und nicht in Sardinen anreichert.

Erklären Sie, was die energetische Verwertung von Abfällen ist (Verbrennung mit Energierückgewinnung), und analysieren Sie ihre Vorteile (weniger Deponierung, Strom) und Nachteile (Emissionen, Aschen, geringerer Anreiz zum Recycling) im Vergleich zu Vermeidung und Recycling.

Die sogenannten „Plastikinseln“ bilden sich im Zentrum der großen Ozeanwirbel. Erklären Sie, wie die Strömungen dort die schwimmenden Abfälle konzentrieren, warum Plastik nicht verschwindet, sondern in Mikroplastik zerfällt, und welche Schwierigkeiten seine Reinigung im großen Maßstab mit sich bringt.

Die heutige Aussterberate von Arten wird auf das Zehn- bis Hundertfache der Hintergrundrate im Fossilbericht geschätzt. Erklären Sie, was die Hintergrundaussterberate ist, nennen Sie die Hauptursachen der gegenwärtigen Krise (Lebensraumzerstörung, Übernutzung, invasive Arten, Verschmutzung, Klima) und begründen Sie, warum von einem möglichen sechsten Massenaussterben gesprochen wird.

Erklären Sie, was Ökodesign ist, und beschreiben Sie zwei Beispiele für Produkte, die neu gestaltet wurden, um weniger Abfall zu erzeugen (reparierbare Geräte mit Ersatzteilen, Verpackungen aus einem einzigen Material, nachfüllbare Produkte), und geben Sie an, welches Prinzip der Abfallhierarchie sie jeweils anwenden.

Eine vor 15 Jahren stillgelegte Deponie auf zerklüftetem Karstkalk besitzt keine Basisabdichtung. 800 m hangabwärts liegt eine Quelle, die ein Dorf versorgt und ein geschütztes Feuchtgebiet speist. Die Analyse des Quellwassers ergibt: elektrische Leitfähigkeit von 2400 µS/cm (natürlicher Basiswert: 450 µS/cm), Ammonium mit 12 mg/L (gesetzlicher Grenzwert: 0,5 mg/L), Spuren von Benzol und ein Absinken des gelösten Sauerstoffs auf 1,8 mg/L im Feuchtgebiet.

1. a) Begründen Sie hydrogeologisch, warum die Lithologie des Untergrunds die Auswirkungen beschleunigt, und sagen Sie voraus, welche Folgen dieser chemische Cocktail für das Nahrungsnetz des Feuchtgebiets haben wird.
2. b) Ein Gemeinderat schlägt vor, „sauberes Wasser in die Deponie zu pumpen, um die Grundwasserverunreinigung zu verdünnen“. Widerlegen Sie seinen Vorschlag fachlich, indem Sie zeigen, welche hydrogeologischen Risiken er auslösen würde.
3. c) Entwerfen Sie einen dringenden Maßnahmenplan in drei Phasen (sofortige hydraulische Sicherung, Abdichtung/Fassung des Sickerwassers und Biosanierung) und begründen Sie die zeitliche Reihenfolge jeder Maßnahme, um den Zusammenbruch des Ökosystems zu verhindern.

In einem Wasserkraft-Stausee wird eine Larvendichte der Dreikantmuschel (Dreissena polymorpha) von 45 000 Individuen/m² festgestellt. Gleichzeitig ist die Phytoplanktonkonzentration um 80 % gesunken, die Sichttiefe (Secchi-Scheibe) von 1,2 m auf 5,8 m gestiegen und es zeigt sich eine massenhafte Vermehrung untergetauchter Makrophyten und giftiger benthischer Cyanobakterien.

1. a) Deuten Sie die ökologische Kaskade: Warum ist eine drastische Zunahme der Wasserklarheit kein Zeichen einer Umweltverbesserung, sondern eines schweren Ungleichgewichts? Setzen Sie dies in Beziehung zu den Fortpflanzungsstrategien (r/K) und Ernährungsstrategien der Muschel im Vergleich zu den heimischen Großmuscheln.
2. b) Ein Unternehmen schlägt vor, Schwarze Amurkarpfen (Mylopharyngodon piceus), natürliche Fressfeinde der Muschel in ihrem Herkunftsgebiet, als biologische Bekämpfung einzusetzen. Bewerten Sie diesen Vorschlag kritisch und sagen Sie seine Folgen nach den Prinzipien der Invasionsökologie voraus.
3. c) Entwerfen Sie eine kombinierte Bekämpfungsstrategie für eine Wasserentnahmeanlage, die die chemische Belastung (unter Vermeidung dauerhafter massiver Chlorung) im unteren Flussabschnitt minimiert.

Nach einem Dieselunfall auf einem sandigen stadtnahen Boden werden über 90 Tage drei In-situ-Biosanierungsparzellen getestet, wobei die Konzentration der Gesamtkohlenwasserstoffe (TPH) ab einem Anfangswert von 15 000 mg/kg überwacht wird:

• Parzelle A (natürliche Selbstreinigung, kein Eingriff): TPH am Ende = 13 800 mg/kg; abbauende Bakterienpopulation = 10⁴ KBE/g.

• Parzelle B (Biostimulation durch Zugabe von N und P im C:N:P-Verhältnis 100:10:1 und regelmäßiges Umgraben zur Belüftung): TPH am Ende = 1200 mg/kg; abbauende Population = 10⁸ KBE/g.

• Parzelle C (Bioaugmentation mit einem handelsüblichen Inokulum allochthoner abbauender Bakterien, ohne Nährstoffkorrektur und ohne Umgraben): TPH am Ende = 11 500 mg/kg; die eingebrachten Bakterien sinken nach 20 Tagen unter die Nachweisgrenze.

1. a) Deuten Sie die Ergebnisse im Vergleich von B und C: Begründen Sie, welcher Faktor den biologischen Abbau im ursprünglichen Boden begrenzte, und erklären Sie, warum die Bioaugmentation scheiterte.
2. b) Sagen Sie begründet voraus, was in Parzelle B geschehen wäre, wenn der Boden durch anhaltenden Starkregen überflutet worden wäre, und geben Sie an, welche mikrobiellen Stoffwechselwege betroffen wären.
3. c) Wären die Kohlenwasserstoffe in die gesättigte Zone (einen tiefen anoxischen Grundwasserleiter) gewandert, begründen Sie, warum physikalisch-chemische Verfahren (wie die Mehrphasenextraktion oder durchlässige reaktive Barrieren) gegenüber der üblichen aeroben Biostimulation im Vorteil wären.

Ein Bachtal erhält Einleitungen von Gerbereien mit sechswertigem Chrom [Cr(VI)]. Die ökotoxikologischen Analysen zeigen:

• Oberflächenwasser: Gesamt-Cr = 0,08 mg/L (praktisch vollständig als Cr(VI)).

• Oberflächensediment (obere 10 cm): Gesamt-Cr = 1450 mg/kg.

• Benthische Makroinvertebraten (Eintagsfliegenlarven): Cr = 320 mg/kg Trockengewicht.

• Benthische Fische (Barben, Muskulatur): Cr = 45 mg/kg; nektonische karnivore Fische (Forellen, Muskulatur): Cr = 18 mg/kg.

1. a) Deuten Sie das Verteilungsmuster: Begründen Sie, warum die Konzentration im Sediment die des Wassers um vier Größenordnungen übersteigt. Analysieren Sie die Daten von Barben und Forellen: Handelt es sich um Bioakkumulation oder um trophische Biomagnifikation? Vergleichen Sie dieses Verhalten mit dem chlororganischer Schadstoffe wie DDT.
2. b) Ein Fachgutachten empfiehlt, „Phytoremediation durch Anpflanzen von Weiden direkt im Bachbett durchzuführen“. Diskutieren Sie die Machbarkeit und die Risiken, den Schadstoff über das Falllaub in terrestrische Nahrungsnetze zu übertragen.
3. c) Schlagen Sie eine technische Sanierungsabfolge vor, die eine vorherige chemische Reduktionsbehandlung (Cr(VI) zu Cr(III)) mit einer anschließenden Phytostabilisierung verbindet, und begründen Sie den Unterschied in Löslichkeit und Bioverfügbarkeit zwischen beiden Ionenformen.

Eine Fast-Food-Kette ersetzt ihre Verpackungen aus Polypropylen (PP) durch plastifizierte Pappbehälter mit Polymilchsäure (PLA) und Papiertüten aus Kraftpapier und wirbt damit: „100 % ökologisch und null Abfall!“. Sie verfügen über folgende Daten einer Ökobilanz (Lebenszyklusanalyse) je 1000 Stück:

• Polyethylen-Tüte (recycelt): CO₂-Fußabdruck = 11 kg CO₂ eq; Wasserverbrauch = 50 L; 1 Nutzung.

• Papiertüte aus Frischfaser-Kraftpapier: CO₂-Fußabdruck = 26 kg CO₂ eq; Wasserverbrauch = 1200 L; 1 Nutzung.

• PLA-Behälter: CO₂-Fußabdruck = 50 kg CO₂ eq (0,05 kg CO₂ eq pro Stück); er baut sich nur in der industriellen Kompostierung bei >58 °C und 90 % relativer Luftfeuchtigkeit biologisch ab; in der städtischen Biotonne (anaerobe Vergärung bei 37 °C) wird er als Störstoff aussortiert und landet auf der Deponie.

• Wiederverwendbare PP-Box: CO₂-Fußabdruck der Herstellung = 1000 kg CO₂ eq (1 kg CO₂ eq pro Stück).

1. a) Widerlegen Sie anhand der Ökobilanzdaten die Werbeaussage des Unternehmens: Begründen Sie, warum der Ersatz synthetischer Polymere durch Zellulosederivate nicht automatisch eine umfassende Umweltverbesserung bedeutet.
2. b) Sagen Sie die Umweltauswirkungen voraus, die PLA verursacht, wenn Verbraucher, durch die Vorsilbe „Bio“ verwirrt, es in die gelbe Tonne für herkömmliche Kunststoffe werfen, und zwar während des mechanischen Recyclings durch Extrusion.
3. c) Entwerfen Sie eine Alternative für den Betrieb, die streng auf der Spitze der europäischen Abfallhierarchie (Vermeidung und Wiederverwendung) beruht, und berechnen Sie, wie oft eine wiederverwendbare Box mindestens genutzt werden müsste, um ihren höheren Herstellungsaufwand gegenüber dem ersetzten PLA-Einwegbehälter auszugleichen.

Ein ökotoxikologischer Test bewertet die Auswirkungen des Neonicotinoid-Insektizids Imidacloprid auf Kolonien von Sammelbienen (Apis mellifera):

• Mittlere letale Konzentration (LC50 nach 48 h im Labor): 40 ng/Biene.

• Mittlere nachgewiesene Konzentration in Pollen und Nektar behandelter Kulturen: 4 ng/g.

• In Feldversuchen mit Dosen von 1,5 ng/g: Die Rückkehrrate zum Bienenstock nach Flügen von 1 km sinkt um 62 % und die Häufigkeit des „Schwänzeltanzes“ nimmt um 75 % ab.

• Nach 6 Monaten erleiden die Bienenvölker in der behandelten landwirtschaftlichen Umgebung einen Verlust von 40 % ihrer Brutmasse und eine drastische Zunahme des opportunistischen Parasiten Nosema ceranae.

1. a) Deuten Sie diese Daten: Zeigen Sie, warum die Verwendung der LC50 als einziger Indikator für Umweltsicherheit den Populationszusammenbruch durch subletale Effekte verschleiert und wie dies mit der Immunschwäche des Volkes zusammenhängt.
2. b) Analysieren Sie den Interessenkonflikt: Ein Landwirt behauptet, dass der Ersatz dieser vorbeugenden Saatgutbehandlung durch herkömmliche Breitband-Sprühungen aus der Luft die Produktion verteuert und Insekten durch direkten Kontakt tötet. Welche mittelfristigen Folgen hat jedes Modell für die Resistenz der Schädlinge und den Verlust wilder Bestäuber?
3. c) Entwerfen Sie ein Programm des integrierten Pflanzenschutzes für diese Agrarregion, das auf die vorbeugende chemische Behandlung verzichtet und wirtschaftliche Schadschwellen sowie Maßnahmen der ökologischen Infrastruktur (Hecken und Blühstreifen als Rückzugsräume) einbezieht.

Eine Gemeinde mit 50 000 Einwohnern erzeugt 1,2 kg Abfall pro Einwohner und Tag (Zusammensetzung: 42 % Bioabfall, 18 % Papier und Pappe, 14 % Leichtverpackungen, 6 % Glas, 20 % Restabfall). Die europäische Gesetzgebung legt für 2035 eine kommunale Recyclingquote von mindestens 65 % (nach Gewicht) und eine Obergrenze von 10 % für die Deponierung fest. Es werden drei Optionen diskutiert:

• Option 1: Der gesamte gemischte Abfall wird zu einer Kreisdeponie gebracht (Kosten: 45 €/t zuzüglich einer steigenden Abgabe je Tonne unbehandelten Abfalls; Nettoentstehung von Sickerwasser und diffuse CH₄-Emissionen).

• Option 2: Bau einer Müllverbrennungsanlage zur energetischen Verwertung, die den gemischten Abfall verbrennt und Strom erzeugt (erfordert eine Investition von 60 Millionen Euro und eine vertraglich garantierte Menge von mindestens 20 000 t pro Jahr über 25 Jahre, damit sie sich amortisiert; es entstehen 20 % Schlacke und 3 % giftige Flugasche).

• Option 3: Einführung einer getrennten Haus-zu-Haus-Sammlung (5 Fraktionen) mit Biogasanlage bzw. Kompostierung der organischen Abfälle und Deponierung nur für nicht verwertbare Reststoffe.

1. a) Analysieren Sie Option 2 im Hinblick auf die europäischen Ziele: Erklären Sie den Begriff „technologischer Lock-in-Effekt“ und begründen Sie, warum diese Anlage im Widerspruch zu den Zielen zur Abfallvermeidung und zum Recycling bis 2035 stünde.
2. b) Berechnen Sie die Menge an Bioabfall, die die Gemeinde pro Jahr erzeugt (in Tonnen), und weisen Sie rechnerisch nach, ob Option 3 die europäische Vorgabe von 65 % erfüllen würde, wenn eine Erfassungsquote der Bürger von 80 % bei den recycelbaren Fraktionen angenommen wird.
3. c) Begründen Sie, welche der drei Optionen die beste Bilanz hinsichtlich des CO₂-Fußabdrucks und der Rückführung in die Kreislaufwirtschaft aufweist, und berücksichtigen Sie dabei die Treibhausgasemissionen (Deponiemethan im Vergleich zu biogenem bzw. fossilem CO₂).

Nach vier Jahren der natürlichen Wiederbesiedlung durch den Iberischen Wolf (Canis lupus) in einer Bergregion des Kantabrischen Gebirges sammelt ein Forschungsteam folgende quantitative Daten:

• Die Dichte von Rothirschen und Rehen ist um 22 % zurückgegangen, aber die Aufenthaltsdauer der Huftiere an Ufern und offenen Lichtungen ist um 70 % gesunken (Effekt der „Landschaft der Angst“).

• Die Regeneration von Weiden, Birken und Eiben an den Flussufern hat um 55 % zugenommen, wodurch die sommerliche Trübung des Flusses um 40 % sank und sich die Vielfalt der aquatischen Makroinvertebraten verdoppelte.

• Die Schäden durch Wildschweine an stadtnahen Maisfeldern sind um 35 % zurückgegangen, weil sich ihre nächtlichen Nahrungswege verändert haben.

• Gleichzeitig sind die registrierten Angriffe auf unbewachte Schafherden in Extensivhaltung von 2 auf 31 pro Jahr gestiegen.

1. a) Erklären Sie anhand dieser Daten das Konzept der Top-down-Nahrungskaskade und unterscheiden Sie dabei den direkten Effekt durch Prädation vom indirekten Verhaltenseffekt auf die Flussmorphologie und die Biodiversität.
2. b) Widerlegen Sie sowohl die Position derjenigen, die die „vollständige Ausrottung des Beutegreifers zur Rettung des ländlichen Raums“ fordern, als auch die Position derjenigen, die einen „strikten Schutz ohne Management und ohne Entschädigung“ befürworten, mit Argumenten aus der Ökosystemökologie und der ländlichen Sozioökonomie.
3. c) Entwerfen Sie einen Vorschlag zur Koexistenz, der auf dem Verhalten des Beutegreifers beruht (Einsatz von an die Schafherde gewöhnten Herdenschutzhunden, elektrifizierte nächtliche Pferche und zeitliche Abstimmung der Lammzeiten), und begründen Sie biologisch, warum unselektive Jagd oder Gift die Familienverbände der Wölfe oft zerstören und paradoxerweise die Angriffe auf Nutztiere erhöhen.

Themenprojekt. Nachhaltigkeitsaudit im eigenen Haushalt und Klimaschutz

Verwandeln Sie Ihr Zuhause in ein Umweltobservatorium und entwerfen Sie einen Plan für den ökologischen Wandel in folgenden Phasen:

1. Ressourcen und Abfall: Wiegen Sie 24 Stunden lang die in Ihrem Haushalt anfallenden Abfälle ($m$ in kg) und trennen Sie sie nach Fraktionen (Bioabfall, Verpackungen, Papier, Restmüll). Rufen Sie die Website der Bundesnetzagentur (SMARD) auf und notieren Sie den Anteil erneuerbarer Energien am Tag (zum Beispiel $54,3\,\%$).

2. Klima und Biodiversität: Rufen Sie beim Deutschen Wetterdienst (DWD) die Temperaturreihe Ihres Kreises für den letzten Monat ab und stellen Sie fest, ob eine positive Temperaturanomalie vorliegt. Recherchieren Sie und beschreiben Sie kurz, wie dieses Klimamuster und das heutige Konsummodell eine Art oder ein charakteristisches Ökosystem Ihres Bundeslandes bedrohen.

3. Minderungsplan: Erstellen Sie einen einseitigen Bericht, der die Tabelle der erhobenen Daten enthält, und schlagen Sie drei umsetzbare, begründete Maßnahmen vor, um den $\text{CO}_2$-Fußabdruck zu verringern, Ressourcen zu optimieren und die lokale Biodiversität aus Ihrem Alltag heraus zu fördern.

Bewertet werden:

• Sorgfalt bei der Erhebung empirischer Daten und bei der Nutzung offizieller Quellen (Bundesnetzagentur und DWD).

• Begründeter Zusammenhang zwischen Konsummodell, Klimawandel und Verlust der Biodiversität.

• Umsetzbarkeit, wissenschaftliche Fundierung und Wirkung der Vorschläge zur nachhaltigen Entwicklung.

• Klarheit der Darstellung, Gliederung und Zusammenfassung des vorgelegten Berichts.