Die größte Artenzahl und Biomasse des Rhein-Ökosystems gehört der Lebensgemeinschaft des Gewässergrundes, dem Benthos an.
Die Produzenten des Stromes reichen nicht aus, um die Konsumenten zu ernähren. Eine große Rolle spielen deshalb die allochthone Biomasse und dementsprechend die Detritusfresser, die bevorzugt dem Benthos angehören.
Die Uferbefestigungen bieten einer Vielzahl von festsitzenden Arten Raum, werden allerdings vom Wellenschlag des Schiffsverkehrs gestört; unter den Insektenlarven sind hier besonders die Zuckmücken (Chironomidae) mit ihren Wohnröhren häufig.
Auch der Mittelrhein mit seinem klippigen Flussbett und Ufer bietet ähnliche Lebensräume, die aber durch Verschmutzung des Flusswassers beeinträchtigt sind.
Durch den Ausbau des Rheins wurden Stein-bewohnende (lithophile) Arten gefördert (z.B. Egel), darunter aber wegen der Zunahme an Schwebstoffen besonders die Filtrierer: Moostierchen, Schwämme und unter den Insektenlarven diejenigen Köcherfliegen, die Netze bauen. Beispielsweise ist die Köcherfliege Hydropsyche contuberalis auch am Unteren Mittelrhein häufig.
Früher war der am weitesten verbreitete Benthos-Bewohner die gut sichtbare, rasenbildende Grünalge Cladophora glomerata.
Dem Benthos gehören auch die Muscheln an. Stromsohlen in ständiger Bewegung wie im südlichen Oberrhein konnten nur von wenigen Arten wie der gemeinen Flussmuschel Unio crassus besiedelt werden. Ihre Bestände sollen im Rhein weitgehend erloschen sein. Ihre Ausbreitung könnte aus Nebenflüssen wie der Mosel erfolgen, weil sich ihre Larven an Fische anheften. Die Rhein-Perlmuschel Margaritifera auricularia ist schon seit mehr als 100 Jahren ausgestorben.
In schlickigen Bereichen siedeln andere Muschelarten.
Im Rhein ist eine starke Ausbreitung der Dreikantmuschel (Dreissena polymorpha) als Neozoon aus dem Baltikum festzustellen, die als Nahrung für viele Wasservögel an Bedeutung gewinnt. Sie vermag aber auch als Filtrierer einen wichtigen Beitrag im aktuellen Rhein-Ökosystem zu leisten. Sie besiedelt Steine und Felsen, die ihr infolge der Uferbefestigungen heutzutage fast überall am Rhein geboten werden.
In den im Sommer trockenfallenden Flachwasserbereichen und Altarmen finden Schlammbodenpflanzen ihren Standort: „Im feuchten Schlamm von Flachufern siedeln Schlammling (Limosella aquatica), Sumpfruhrkraut (Gnaphalium uliginosum), Gifthahnenfuß (Ranunculus sceleratus), Blauer Gauchheil-Ehrenpreis (Veronica catenata), Fremder Ehrenpreis (Veronica peregrina), Kleiner Wegerich (Plantago intermedia) und Wasserkresse (Rorippa amphibia). Später kommen Spießmelde (Atriplex hastata), Roter Fuchsschwanz (Alopecurus aequalis), Sumpfkresse (Rorippa palustris), Roter Gänsefuß (Chenopodium rubrum) und Wasserfenchel (Oenanthe aquatica) hinzu. “ (zit. Tittizer/ Krebs)
Die Wasserpflanzen der Stillwasser-Bereiche benötigen ein feinkörniges Substrat. Trapa natans, die Wassernuss kommt in Altarmen mit Verbindung zum Fluss ohne Faulschlamm-Bildung vor, und ist an eine ganz bestimmte Wassertiefe angepasst (80 cm). Bei niedrigeren Wasserständen kommt die Seekanne (Nymphoides peltata) vor, bei höheren Wasserständen (mind. 100 cm) und geringer Eutrophierung die Teichrose (Nuphar lutea). Schwebdecken mit Azolla filiculoides, Lemna minor und Spirodela polyrhiza finden sich bei Eutrophierung durch absterbende Uferpflanzen ein.
Verschlammte Flächen der Wasserwechselzonen bilden in der zweiten Mai-Hälfte das Keimbett für die Silberweide Salix alba und die Schwarzpappel Populus nigra. Diese Substrate bilden sich aber nur bei Niedrigwasser, das sehr selten im Abstand von mehrern Jahren auftritt; dann kommt es jedoch zur Massenvermehrung. Diese beiden Arten bilden das Grundgerüst der Weichholz-Aue des Rheins, die durch eine Überflutung an mehr als 150 Tage im Jahr definiert wird und so einen semi-aquatischen Lebensraum darstellt.
Der Hauptstrombereich ist im Allgemeinen frei von Samenpflanzen; das gilt nicht für den Alpenrhein mit den früher häufigen Arten Wasserpest (Elodea canadensis), Tannenwedel (Hippuris vulgaris), Ähriges Tausendblatt (Myriophyllum spicatum), den Laichkräutern Potamogeton lucens + pectinatus + perfoliana und dem Teichfaden (Zannichellia palustris).
Als Plankton werden die passiv schwebenden Bewohner des Wasserkörpers bezeichnet.
Die Artenzusammensetzung ist in fließenden und stehenden Gewässern gleich; zu einer Vermehrung des Planktons kommt es aber nur in wenig bewegten Gewässerbereichen.
Die Mikrofauna spielt im Rhein eine untergeordnete Rolle, auch wegen des Gefälles; lediglich im Deltagebiet steigt die Populationsdichte des Zooplanktons an. Die Gefälle-armen Unterläufe der Flüsse produzieren durch Plankton-Vermehrung Biomasse und durch Abbauprozesse Nährstoffe (Eutrophierung).
Das Phytoplankton bildet die größte Gruppe der Produzenten im Rhein, wenn man den Eintrag von Landpflanzen und Nebenflüssen außer Acht lässt. In Altarmen vermehren sich bes. Tabellaria, Oscillatoria. Zu einer Massenentwicklung des Phytoplanktons kommt es allerdings nur im Rheindelta.
Die überall am stärksten dominierende Art ist die Kieselalge Stephanodiscus hantzschii; sie soll zwei Drittel der Biomasse des Planktons ausmachen. Neben weiteren Diatomeen sind auch Chlorophyceen (Grünalgen) recht häufig.
„Die ehemaligen 'Leitformen' des Rheinplanktons (u.a. Oscillatoria rubescens, Fragilaria crotonensis, Tabellaria fenestrata, Asterionella formosa) spielen heute keine Rolle mehr.“ (zit. Tittizer/ Krebs)
Zufuhr spezifischer Phytoplankton-Arten aus Bodensee, Züricher See, Aare, Main, Mosel usw.; die oberrheinischen Zuflüsse sind allerdings sehr planktonarm.
Die Selbstreinigung von Gewässern wird nach der sauerstoffzehrenden Zersetzung durch Bakterien in einem zweiten Schritt von Algen und anderen pflanzlichen Organismen vollzogen, die die freiwerdenden Nährstoffe nutzen und bei der Photosynthese neuen Sauerstoff produzieren.
Aber auch die Fauna trägt durch die Gilden der Filtrierer sehr zu physischen Reinigung der Gewässer bei.
Bei einer toxischen Wasserverschmutzung wird allerdings gleichzeitig durch Vergiftung der Messparameter 'Biologischer Sauerstoffbedarf (BSB)' vermindert, also eine größere Gewässergüte vorgetäuscht. Gleichzeitig erfolgt eine Störung der Plankton-Populationen.
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