Die Critical Zone (CZ) ist die poröse Haut der Erde, wo Luft, Wasser und Gestein sich überschneiden und mit dem Leben interagieren. Sie wird Critical Zone genannt, weil wir Menschen in ihr leben und von ihren Ressourcen abhängig sind, von sauberem Wasser bis hin zur Nahrungsmittelproduktion und Klimaregulierung. Die CZ erstreckt sich von der Vegetation durch den Boden bis zum verwitterten Gestein und zum Grundwasser in Hunderten von Metern Tiefe und ist durch Flüssigkeitsströmung und Stofftransport miteinander verbunden. Umweltverschmutzung, Landnutzung und Klimawandel verändern zunehmend die oberirdischen Lebensräume der CZ, aber wir verstehen die Folgen für die tiefe Biosphäre nicht. Das Hauptziel des SFB AquaDiva ist unser Verständnis zu erweitern, wie Wasser (Aqua) oberirdische und unterirdische Lebensräume verbindet, und wie lokale Geologie und Oberflächenbedingungen die funktionelle Diversität (Diva) der unterirdischen Lebensräume bestimmen. In der ersten Förderperiode haben wir das "Hainich Critical Zone Exploratory" (CZE) eingerichtet, das zwei Grundwasserstockwerke entlang eines ~6 km langen Hangtransekts in abwechselndem Kalk- und Mergelgestein umfasst. Oberflächen- und Grundwassereigenschaften wurden mittels Geochemie, Isotopenmessungen und einer Reihe von "Omics"-Ansätzen zur Katalogisierung des unterirdischen Lebens, einschließlich Bakterien, Archaeen, Pilze, Viren und Grundwasserfauna, analysiert. Genomische Informationen wurden mit aktiven Proteinen (Proteom), Stoffwechselprodukten (Metabolom, Gase) und gezielten Untersuchungen von Kolloiden und gelöster organischer Substanz (DOM) verknüpft. Alle methodischen Ansätze identifizierten übereinstimmend sechs verschiedene Grundwasserzonen. Während der zweiten Förderperiode zielte unsere Forschung darauf ab, die Mechanismen aufzuklären, wie sich diese Zonen entwickelt haben, indem wir Isotopenanalysen und Modelle einsetzten, um den Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf mit mikrobiellen Gemeinschaften zu verknüpfen. Darüber hinaus richteten wir das „Saale-Elster-Sandsteinplatte Observatory“ (SESO) in saurem Sandsteingestein mit ähnlicher Landnutzung als geologischen Kontraststandort ein. In der dritten Förderperiode werden wir unsere Beobachtungen generalisieren und die riesige Menge an Informationen synthetisieren, um (1) biotische und chemische "Fingerabdrücke" spezifisch für Oberflächeneigenschaften zu erstellen und zu zeigen, wie diese Oberflächensignale transportiert und transformiert werden auf ihrem Weg zum Grundwasser, und (2) zu untersuchen, wie sich zeitliche Variationen der Oberflächeneinträge auswirken. Der Vergleich der kontrastierenden Geologie ermöglicht es uns, unsere Konzepte zu verallgemeinern und Vorhersagen über die Reaktion der tiefen Biosphäre auf Szenarien des Klimawandels und die Folgen für die Wasserressourcen zu entwickeln. Schließlich werden wir die massiven Infrastrukturinvestitionen und Datensätze als Plattformen für die internationale CZ-Forschung sichern.
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Die thermische Untergrundnutzung, z. B. durch Grundwasserwärmepumpen oder thermische Aquiferspeicher, spielt eine wichtige Rolle bei der Wärme- und Kältewende. Die dadurch verursachten Temperaturänderungen können, ebenso wie steigende Grundwassertemperaturen aufgrund klimatischer Veränderungen, den natürlichen Zustand der Grundwasserökosysteme beeinträchtigen. Trotz stark gestiegener Anforderungen an die Genehmigungsbehörden sind fachlich begründete Bewertungsverfahren und konkrete Verwaltungsvorschriften für die thermische Untergrundnutzung derzeit nicht verfügbar.
Im Projekt 'Thermostress' wird daher untersucht, ob es in den letzten Jahrzehnten in Baden-Württemberg Veränderungen in der Grundwasserfauna aufgrund von Temperaturänderungen gab, und welche Methoden sich für die Untersuchung dieses Zusammenhangs eignen. Daneben befasst sich 'Thermostress' mit der Frage, ob sich daraus Handlungsempfehlungen für die nachhaltige Nutzung des Grundwassers ableiten lassen.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden
Das Vorhaben gliedert sich in vier Arbeitsschritte: (1) Entwicklung eines neuen temperatur-basierten Bewertungsindex für den faunistischen Zustand des Grundwassers, (2) Erhebung und Auswertung von faunistischen und abiotischen Freilanddaten, (3) Entwicklung von Modellansätzen für die Vorhersagen von Grundwassertemperaturen, sowie den thermisch-ökologischen Zustand von Grundwassermessstellen und (4) Erarbeitung von Vorschlägen zur weiteren Erprobung der Ansätze, sowie zur Überführung in die Planungs- und Genehmigungspraxis.
Ziel des Projektes ist die Verbesserung der Qualitätssicherung im Trink- und Grundwasserschutz, durch verbesserte Abgrenzung von Trinkwasser-Einzugsgebieten (EZG) und Ermittlung von Oberflächen-Grundwasser-Wechselwirkungen (OGW). Dazu soll ein hochauflösendes Verfahren auf populationsgenetischer Grundlage entwickelt und erprobt werden, um erstmals Grundwassertiere als biologische Tracer zu nutzen: Je näher die Tiere miteinander verwandt sind, umso enger ist der hydrologische Austausch zwischen den Fundorten. Gegen Ende der Projektlaufzeit wird mit einer Fachtagung der aktuelle Stand der Forschung präsentiert, um neue Impulse für Praxis und Forschung zu geben. StygoTracing-EZG ist ein von der IGÖ GmbH koordiniertes Verbundprojekt mit der TU Dresden (TUD). Als Dienstleister stellt die Universität Koblenz-Landau Labors und Beratung bereit. Das Projekt läuft 29,5 Monate, die Kosten liegen bei rund 414.000 €. Nach der Beprobung von ca. 100 Standorten im Herbst 2016 und im Frühjahr 2017 und anschließender Bestimmung der Tiere werden drei Indikatorarten ausgewählt und die Primer entwickelt (IGÖ). Mit diesen werden die Tiere analysiert. Parallel werden Gemeinschaftsanalysen der Fauna (IGÖ) durchgeführt und von der TUD stabile Isotope sowie die Anionen/Kationen aller Wasserproben bestimmt, um die hydrologischen Zusammensetzungen zu ermitteln. Die Auswertung der Genetik-, Fauna- und Isotopen-/Ionen-Daten folgen. Die Integration und Erprobung der Daten inkl. der Verifikation des Konzeptes übernimmt die IGÖ mit Unterstützung der TUD. Die Arbeitspakete bauen inhaltlich und zeitlich aufeinander auf. Das Projekt endet mit der Impulstagung. Die wiss.-techn. Qualität und die Neuartigkeit bestehen darin, dass erstmals Tiere als Tracer für die Bestimmung von EZG und OGW verwendet werden. Damit wird ein völlig neues Produkt entwickelt und erprobt, dass auch patentiert werden soll.
StygoTracing-EZG soll die Analyse von Wasserflüssen in Wasserschutzgebieten signifikant verbessern. Eine zentrale Herausforderung sowohl für die Qualitätssicherung der Wasser-versorgung als auch zur Bewirtschaftung von Feuchtgebieten ist die Kenntnis der hydrologischen Konnektivität im Einzugsgebiet (EZG). Zu diesem Zweck wird nun erstmals eine populationsgenetische Verfahrensweise angewendet, bei der die im Einzugsgebiet lebenden Tiere als biologische Tracer genutzt werden. Wasserschutzgebiets (WSG)- und Einzugsgebietsgrenzen lassen sich mit Hilfe des Verfahrens hochauflösend ermitteln. Gegen Ende der Projektlaufzeit wird mit einer Fachtagung der aktuelle Stand der Forschung präsentiert, um neue Impulse für Praxis und Forschung zu geben. StygoTracing-EZG ist ein von der IGÖ GmbH koordiniertes Verbundprojekt mit der TU Dresden (TUD), die zur Evaluierung der genetischen Analysen mit Hilfe stabiler Isotope die Hydrologie bestimmt. Als Dienstleister stellt die Universität Koblenz-Landau populationsgenetisches Know how und Labors bereit. Nach der Probennahme und anschließender morphologischer Bestimmung der Tiere werden drei Indikatorarten ausgewählt und mittels neu entwickelter Primer analysiert. Parallel dazu werden von der IGÖ GmbH Gemeinschaftsanalysen der Fauna durchgeführt, sowie von der TUD stabile Isotope und Ionen aller Wasserproben bestimmt um die hydrologischen Verhältnisse zu ermitteln. Es folgt die Auswertung der Genetik-, Fauna- und Isotopen-/Ionen-Daten und die Integration und Erprobung der Daten inkl. der Verifikation des Konzeptes. Das Projekt endet mit der Fachtagung im September 2018. Die wissenschaftlich-technische Qualität und Neuartigkeit bestehen darin, dass erstmals Tiere als Tracer für die Bestimmung der WSG, EZG und Oberflächenwasser-Grundwasserwechselwirkungen verwandt werden.
Durch zunehmende Stoffeinträge, Unfälle und Nutzungsänderungen, ist die gute Qualität des Grundwassers vielerorts gefährdet oder bereits beeinträchtigt. Das Verbundvorhaben GroundCare entwickelt innovative Konzepte zur Beurteilung der Belastbarkeit und des Selbstreinigungsvermögens von Grundwassersystemen sowie zur Bewertung des ökologischen Zustands und bringt diese zur Anwendungsreife. Um eine weitere Lücke in der systemgerechten Überwachung der Grundwasserqualität zu schließen werden grundwasser-spezifische ökotoxikologische Testverfahren entwickelt und validiert. GroundCare leistet damit einen notwendigen Beitrag um den langfristigen Schutz und die Verfügbarkeit unserer Grundwasservorräte sicherzustellen. Teilprojekt 3 hat das Ziel, die Voraussetzungen für die Entwicklung und Testung eines marktreifen grundwasser-spezifischen Online-Verfahrens zur ökotoxikologischen Stoffbewertung für Grundwasser zu schaffen. Dazu werden geeignete Hälterungs- und Kultivierungsverfahren für Grundwasser-Metazoen entwickelt. Der zu entwickelnde Online-Biotest mit Grundwasser-Metazoen soll zur Schnellbestimmung und Echtzeitüberwachung von Grundwasserbelastungen und der Frühwarnung bei der Nutzung von Grundwasser als Trinkwasser eingesetzt werden. Da nur mangelhafte Kenntnisse über die Ökologie von Grundwasser-Metazoen vorliegen, werden zunächst die ökologischen Voraussetzungen für Hälterung und Zucht potentiell geeigneter Arten ermittelt, für die anschließend Zuchtverfahren entwickelt werden. Verschiedene Methoden für ausgewählte Grundwassertiere werden getestet mit dem Ziel, für Grundwasser-Metazoen, die sich für ökotoxikologische Untersuchungen von Grundwässern eignen, robuste Zuchtverfahren verfügbar zu machen. Die Zuchtverfahren sollen Testorganismen in standardisierter Form in ausreichender Zahl problemlos zur Verfügung stellen. Die Testorganismen werden in Absprache mit den Kooperationspartnern auf ihre Sensitivität für ausgewählte grundwasserrelevante Schadstoffe überprüft.