Grundwasser durch Dürren und starke Regenfälle gefährdet

Extreme Klimaereignisse gefährden die Qualität und Stabilität des Grundwassers, wenn Regenwasser die natürlichen Filterprozesse im Boden umgeht. Dies wurde in einer Langzeitstudie des Grundwassers mit neuen Analysemethoden nachgewiesen, wie in einer aktuellen Veröffentlichung in „Nature Communications“ beschrieben. Da Milliarden von Menschen auf ausreichend sauberes Grundwasser zum Trinken angewiesen sind, ist es von entscheidender Bedeutung, die Auswirkungen von Klimaextremen auf die zukünftige Wassersicherheit zu verstehen.

In einem neuartigen experimentellen Ansatz führten Simon A. Schroeter, Gerd Gleixner und Susan Trumbore vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie zusammen mit einem großen Forschungsteam von der Friedrich-Schiller-Universität Jena Langzeitanalysen des Grundwassers in Deutschland durch. Sie nutzten die Anwesenheit von gelöstem organischem Material als Indikator für Wasserverschmutzungen und bestätigten so grundlegende Veränderungen der Grundwasserstabilität. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass extreme Wetterereignisse bereits jetzt die Qualität des Grundwasser und die Art seine Neubildung verändern“, sagt der Erstautor der Studie, Simon Schroeter.

Das Forschungsteam untersuchte zwischen 2014 und 2021 das Grundwasser und die entsprechenden hydroklimatischen Bedingungen an drei geologisch unterschiedlichen Standorten in Deutschland. Sie analysierten die Wasserqualität, indem sie Tausende verschiedene Molekülarten auf ihrem Weg vom Boden ins Grundwasser verfolgten. Im Gegensatz zur bisherigen Standardmethode, der Messung der Gesamtkonzentration von gelöstem organischem Kohlenstoff, ermöglichte ihnen ihr neu entwickelter, ungerichteter Ansatz, Veränderungen in der Menge und chemischen Zusammensetzung unzähliger organischer Moleküle zu erkennen.

Grundwasserspiegel sinken

Innerhalb des achtjährigen Analysezeitraums identifizierten die Forschenden übereinstimmende langfristige Trends: Zunehmende Mengen an organischen Substanzen, die von der Oberfläche stammen und sich im Grundwasser ansammeln - und zwar vor allem bei sinkendem Grundwasserspiegel. Darüber hinaus konnten sie eine eindeutige Verstärkung der zunehmenden Verschmutzung des Wassers seit der extremen Dürre im Jahr 2018 feststellen.

Die neue Methode kann Veränderungen der Grundwasserqualität wesentlich empfindlicher erkennen als die üblicherweise angewandte Kohlenstoffmessung. Sie könnte daher in Zukunft als Frühindikator für eine Verschlechterung der Grundwasserqualität dienen, bevor Grenzwerte überschritten werden. Während die Methode auf organischen Molekülen als Indikatoren für die Verschmutzung beruht, können die tatsächlichen Verunreinigungen alle Schadstoffe umfassen, die von der Oberfläche ausgewaschen werden. Genomische Analysen von Mikroorganismen im Grundwasser können dann Aufschluss über mögliche Abbauwege geben. 

Regen versickert schnell in tiefe Bodenschichten

Grundwasser wird in der Regel durch Niederschläge, die durch den Boden sickern, wieder aufgefüllt. Fremdstoffe, die an der Oberfläche vom Regen aufgenommen werden, werden während des Transports durch den Boden durch Haftung an Bodenminerale entfernt oder von Bodenmikroben verstoffwechselt. Dieser natürliche Filtrationsprozess führt zu hochreinen Grundwasserressourcen. Regen kann jedoch manchmal schnell in tiefere Bodenschichten fließen. Dadurch umgeht das Wasser die Filtrierung, so dass gelöste Stoffe von der Oberfläche und den oberen Bodenschichten vermehrt in das Grundwasser transportiert werden.

Dies gilt insbesondere nach extremen Regenfällen und nach starker Trockenheit. Längere Dürreperioden führen zu großen Rissen im Boden und sie verringern auch die Aufnahme von Regenwasser in den oberen Bodenschichten. Unter solchen Bedingungen fließt das Wasser direkter ins Grundwasser oder läuft alternativ in Flüsse, Seen und Ozeane ab. Der Grundwasserspiegel wird dann nicht ausreichend aufgefüllt. Außerdem wird das Wasser mit unerwünschten und potenziell schädlichen Substanzen von der Oberfläche und den oberen Bodenschichten verunreinigt. Dazu gehören z. B. organische Stoffe, Herbizide und Pestizide, mikrobielle Produkte wie Antibiotika sowie andere Fremdstoffe.

Angesichts des sich weiter verschärfenden Klimawandels fordern Forschende eine verstärkte Aufmerksamkeit für das Grundwassermanagement. Sinkt die natürliche Wasserreinigung der Böden so erhöht das den Druck, dem unsere Gesellschaft bereits aufgrund sinkender Grundwasserspiegel ausgesetzt ist. Jüngste Untersuchungen warnen davor, dass der klimabedingte Rückgang der Grundwasserqualität den der anthropogenen Verschmutzung übertreffen könnte. 

Frühzeitig Risiken für Grundwasser erkennen

Gerd Gleixner, Leiter der Forschungsgruppe, fügt hinzu: „Unsere Methode wird dabei helfen, frühzeitig Risiken für Grundwasser zu erkennen, das als sauber und sicher für unsere Nutzung gilt. Unsere Forschungsergebnisse unterstreichen die dringende Notwendigkeit, ein nachhaltiges Wassermanagement zu etablieren, zum Schutz dieser lebenswichtigen Ressource.“

Die Studie ist Teil des Sonderforschungsbereichs AquaDiva en der Universität Jena, einer interdisziplinären Initiative, geleitet von Kirsten Küsel, Susan Trumbore und Kai Totsche, die sich auf das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Oberflächen- und Untergrundökosystemen und deren Reaktion auf Umweltveränderungen konzentriert. Durch die Integration von Fachwissen aus den Bereichen Biogeochemie, Hydrogeologie und Mikrobiologie will AquaDiva die komplexen Prozesse aufdecken, die Grundwasserökosysteme steuern und ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Klimawandel untersuchen.