Der Klimawandel führt in vielen Regionen der Welt zu einer Verschärfung der Wasserknappheit und negativen Beeinträchtigung der Wasserqualität durch Starkregenereignisse und Dürreperioden. Ein besseres Verständnis der Ausbreitung von mikrobiologischen Verunreinigungen im Grundwasser ist wichtig um dem entgegenzuwirken.
Das DFG-Projekt PrePat („Development and application of non-pathogens and extracellular DNA for predicting transport and attenuation of pathogens and antibiotic resistance genes in groundwater“) hatte zum Ziel, das Verständnis des Transportes von Bakterien, Viren und Antibiotikaresistenzgenen im Grundwasser zu verbessern.
Karstgrundwasserleiter sind aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften, die eine schnelle Grundwasserneubildung und hohe Grundwassergeschwindigkeiten in der gesättigten Zone ermöglichen, anfällig für Verunreinigungen. Mikrobiologische Kontaminanten wie Bakterien und Viren können z.B. durch das Düngen landwirtschaftlicher Flächen in das Grundwasser eindringen und in die Quellen gelangen.
Im gut untersuchten Einzugsgebiet der Gallusquelle (Schwäbische Alb, Südwestdeutschland) kommt es bei Regenereignissen gelegentlich zu Überläufen aus einem Regenrückhaltebecken, wodurch Abwasser in das Grundwasser infiltriert. Nach diesen Überläufen können Bakterien und organische Spurenstoffe in der ca. 9 km entfernten Gallusquelle nachgewiesen werden, deren Wasser zur Trinkwassergewinnung genutzt wird. Bei der Untersuchung dieser Überlaufereignisse fehlen Informationen über die Eintragszeit und die Konzentration der Schadstoffe, was die Bestimmung ihrer Transport- und Retentionsparameter einschränkt.
Im Rahmen von PrePaT wurden Tracerversuche mit verschiedenen nicht pathogenen Bakterien, Bakteriophagen und extrazellulärer DNA (eDNA) zusammen mit Uranin im Einzugsgebiet durchgeführt. Die durchschnittlichen Fließgeschwindigkeiten im Grundwassersystem lagen während der Tracerversuche bei 30 und 87 m/s. Die Tracer wurden innerhalb von 10 Minuten als Dirac-Injektion eingebracht, und die regelmäßige Probenahme für die biologischen Tracer begann mit dem Durchbruch von Uranin etwa 80 bis 90 Stunden nach der Injektion. Bakterielle und eDNA-Tracer wurden mit qPCR-Methoden analysiert, während Bakteriophagen zusätzlich mit einer kulturbasierten Methode (Plaque-Assay) analysiert wurden, um aktive Phagen zu quantifizieren.
Alle Tracer wurden erfolgreich in das Grundwasser injiziert. Die Ergebnisse des ersten Tracerversuchs zeigten, dass die verwendeten Tracer mindestens 3 km innerhalb des Systems transportiert wurden. Darüber hinaus wurden die aktiven Bakteriophagen des zweiten Tracerversuchs nach einem Transport über 9 km vom Regenrückhaltebecken zur Quelle innerhalb von 90 Stunden wiedergefunden. Die Ergebnisse für die mikrobiologischen Parameter, die mit PCR-basierten Methoden analysiert wurden, lagen an der Quelle meist unter der Bestimmungsgrenze. Effekte wie eine erhöhte Retention von Phagen, Bakterien und eDNA, deren Abbau oder der Verlust von Probenmaterial durch die notwendige Probenanreicherung und Nukleinsäureextraktion, die vor der PCR-Analyse durchgeführt werden muss, können die theoretische Maximalkonzentration weiter reduzieren und zu Konzentrationen nahe oder unterhalb der Bestimmungsgrenze der verwendeten PCR-Methode führen. Hier bieten die Kulturmethoden zum Nachweis der Bakteriophagen mit ihrer höheren Sensitivität einen Vorteil. Mit Aquabacterium citratiphilum B4 wurde ein Bakterium verwendet, für das keine spezifische Kulturmethode zur Verfügung steht.
Die Modellierung ergab für die aktiven Phagen deutlich geringere Wiederfindungsraten als für den löslichen Tracer Uranin (maximal ca. 1 % gegenüber ca. 31 % für Uranin). Der Durchbruch infektiöser Bakteriophagen an der Quelle innerhalb weniger Tage zeigt das hohe Kontaminationspotenzial von Karstquellen auch bei relativ geringer Eintragsmasse und langem Transportweg. Beide eingesetzen Bakteriophagen zeigten vergleichbare Durchbruchskurven mit dem konventionellen löslichen Tracer, was auf ähnliche Transportprozesse hindeutet.
Veröffentlichung
Stange, C.; Tiehm, A.: Occurrence of antibiotic resistance genes and microbial source tracking markers in the water of a karst spring in Germany. The Science of the total environment 742: 140529 (2020) DOI:/10.1016/j.scitotenv.2020.140529
Schiperski, F., Zirlewagen, J., Stange, C., Tiehm, A., Licha, T., Scheytt, T.: Transport-based source tracking of contaminants in a karst aquifer: Model implementation, proof of concept, and application to event-based field data. Water research 213, 118145 (2022). DOI:/10.1016/j.watres.2022.118145
Serbe, R.; Schiperski, F.; Stelmaszyk, L.; Stange, C.; Tiehm, A.; Scheytt, T.: Long-distance transport of bacteriophages MS2 and phiX174 in karst aquifers. Science of the Total Environment 973, 179111 (2025) DOI:/10.1016/j.scitotenv.2025.179111
Serbe, R., Schiperski, F., Stelmaszyk, L., Stange, C., Scheytt, T.: Transport of bacteria, bacteriophages, and extracellular DNA as surrogates for pathogens and antibiotic resistance genes in a karst aquifer (Gallusquelle, South-West Germany), EGU23, the 25th EGU General Assembly, held 23-28 April, 2023 in Vienna, Austria and Online. Online at egu23.eu, id. EGU-11903. ui.adsabs.harvard.edu/link_gateway/2023EGUGA..2511903S/doi:10.5194/egusphere-egu23-11903
