Das Grundwasser lebt

Erster Einblick für die Schweiz 

Die Pilotstudie über die Grundwasserflohkrebse in der Schweiz mit einem Fokus auf die Kantone AG, BL, SO und ZH hat gezeigt, dass in Brunnenstuben und Trinkwasserfassungen einfach und erfolgreich Daten über die Grundwasserfauna erhoben werden können. In Zusammenarbeit mit vielen lokalen Wasserversorgungen konnten einige Hundert Proben zusammengetragen und analysiert werden. Dafür hat die Forschungsgruppe um Florian Altermatt vom Wasserforschungsinstitut Eawag einen sogenannten Citizen-Science-Ansatz (oder «Bürgerwissenschaft») genutzt, um möglichst viele Standorte abdecken zu können.
So wurden im März 2019 knapp 200 Brunnenmeister in den vier Kantonen mit Briefen und Telefonaten um ihre Mithilfe angefragt. Zusätzlich wurde die Pilotstudie an der jährlich stattfindenden Brunnenmeistertagung Anfang April 2019 vorgestellt. Dank dieser Präsentation vor insgesamt einigen Hundert Personen beteiligten sich auch Vertreter aus einigen weiteren Kantonen. Die Beprobung durch die interessierten Personen erfolgte mit lebensmittelrechtkonformen feinmaschigen Netzen (Maschenweite 800 μm, Durchmesser 10 oder 18 cm; Sefiltec AG, Höri), die direkt in den Brunnenstuben an die Rohwasserzuführungen angebracht wurden. Dort sollten sie eine Woche montiert bleiben, bevor die allenfalls eingespülten Organismen mittels Federstahlpinzetten in Proberöhrchen mit 80-prozentigem, undenaturiertem Ethanol transferiert wurden. Alternativ oder zusätzlich konnte der Bodenbereich der Überlaufbecken mit einem kleinen Aquarienkescher beprobt werden. Vorerst wurden gepumpte Wässer nicht in die Studie einbezogen. Interessierten Personen wurde das Material und eine Anleitung zugeschickt. Ebenfalls wurden weitere Daten über die Brunnenstuben und die Wasserfassungen aufgenommen, beispielsweise das Alter der Brunnenstube, die Quellschüttung oder chemische Parameter der Trinkwasseranalyse.

Ein Erfolg versprechender Ansatz 

Die Pilotstudie zeigte, dass die Zusammenarbeit mit den lokalen Wasserversorgungen geeignet ist, um die Grundwasserfauna grossräumig zu erfassen. Viele Wasserversorgungen wussten bereits vorgängig, dass vereinzelt grössere Organismen im Rohwasser gefunden werden können. Die Forschenden waren ob des grossen Engagements der Brunnenmeister und Wasserversorgungen positiv überrascht. Von den 191 direkt kontaktierten Wasserversorgungen in den Fokuskantonen (AG, BL, SO, ZH) antworteten 47, 29 Wasserversorgungen gaben ihr Einverständnis, an der Studie teilzunehmen. An der Brunnenmeistertagung konnten weitere Brunnenmeister und Brunnenmeisterinnen für die Projektteilnahme gewonnenen werden. Schlussendlich wurde das Beprobungsmaterial (Fig. 4b) an 130 Personen verteilt.
Bei Projektabschluss hatten 82 Wasserversorgungen Beprobungen durchgeführt. Da viele Wasserversorgungen mehrere Standorte beprobten, resultierten insgesamt 313 beprobte Standorte. Als unterschiedliche Standorte wurden auch Einleitungen aus unterschiedlichen Grundwasserleitern gezählt, die in derselben Brunnenstube gefasst werden. Einige Standorte wurden zudem mehrfach beprobt, wodurch insgesamt 452 Proben gesammelt wurden. Die Proben wurden vor allem im April und Mai 2019 genommen. Einige wenige Proben wurden bis August genommen. Die Proben wurden anschliessend per Post an die Forschenden der Eawag zurückgeschickt. Dort wurden die Organismen aufgrund ihrer Morphologie sortiert. Die Bestimmung erfolgte mittels gängiger Literatur [3, 21, 22], konnte aber aufgrund der schwierigen Taxonomie nicht immer bis auf Art- oder Familienniveau geschehen.
263 Proben (58%) enthielten insgesamt über 1900 Organismen. Es konnten an über 60% der beprobten Stellen Organismen nachgewiesen werden. Damit kann zum ersten Mal für das Schweizer Mittelland aufgezeigt werden, wie weitverbreitet das Grundwasser eine Fauna beherbergt. Da nur Organismen beprobt wurden, die grösser als 0,8 mm sind, stellen die hier präsentierten Daten eher eine Unterschätzung der tatsächlichen Vielfalt der Grundwasserfauna dar. Zudem werden die Funde aus Datenschutzgründen nicht für jede Brunnenstube detailliert publiziert, sondern geografisch leicht zusammengefasst. Alle Wasserversorgungen und Personen, die Proben mit Organismen erfassten, wurden aber persönlich über die gefundenen Organismen und erste Ergebnisse der Studie informiert.
Es konnte gezeigt werden, dass Flohkrebse zu den am weitesten verbreiteten und diversesten Bewohnern des Grundwassers gehören. 110 Proben enthielten insgesamt 424 Flohkrebs-Individuen, vor allem aus der Gattung Niphargus. Flohkrebse wurden also an über 25% der beprobten Stellen gefunden. Sie wurden sowohl morphologisch bestimmt als auch mit molekulargenetischen Methoden noch genauer untersucht. Für die molekulargenetische Bestimmung wurde das sogenannte DNA-Barcoding basierend auf der Cytochrom c Oxidase (COI) verwendet [23]. Dafür wird dieser für jede Tierart charakteristische Erbgut-Abschnitt für jedes einzelne Individuum vervielfacht und verglichen. Individuen derselben Art tragen die gleiche Kopie des COI-Abschnittes, wohingegen sich der Abschnitt zwischen unterschiedlichen Arten unterscheidet. Zur Extraktion der DNA wurde jeweils ein Bein des Tieres verwendet, bei kleinen Tieren wurde der gesamte Organismus. Die Methoden sind ausführlich in [17, 18] erklärt. Da genauere Analysen dieser Daten noch ausstehen, werden die genetischen Daten erst zu einem späteren Zeitpunkt veröffentlicht und zugänglich gemacht. Dank der Daten kann nun eine stetig wachsende Datenbank zum Abgleich neuer Funde aufgebaut werden.
Insgesamt wurden 363 Individuen von 13 verschiedenen Arten von Niphargus gefunden, was die erstaunliche Vielfalt dieser Krebstierchen im Untergrund verdeutlicht. Die meisten Arten wurden schon früher in der Schweiz nachgewiesen, darunter beispielsweise Niphargus puteanus [24]. Für viele Arten konnte die Verbreitung in der Schweiz genauer dokumentiert werden, einige Arten wurden erstmalig ausserhalb ihrer bisher bekannten geografischen Verbreitung gefunden. Eine Art, Niphargus auerbachi, wurde das erste Mal seit den 1930er-Jahren in der Schweiz nachgewiesen [25]. Zudem wurden mindestens drei Arten das erste Mal für die Schweiz nachgewiesen. Die genauere Untersuchung dieser Arten durch die genetischen Daten steht noch aus, der Vergleich mit Funden aus dem Ausland muss also noch gefestigt werden. Bei einigen Flohkrebsen deuten die genetischen Ergebnisse darauf hin, dass es sich um für die Wissenschaft komplett neue Arten handelt, deren formelle Beschreibung in naher Zukunft stattfinden soll. Dazu sind weitere taxonomische Studien geplant, um die bestehende Diversität des Grundwassers adäquat beschreiben zu können. Es kann konstatiert werden, dass bereits die Pilotstudie mit Proben der Wasserversorgungen ein recht umfassendes Bild der Grundwasserflohkrebse im Schweizer Mittelland ermöglicht hat. Es wurden neue Arten für die Schweiz und wahrscheinlich neue Arten für die Wissenschaft entdeckt, was verdeutlicht, dass bezüglich Grundwasserfauna noch vieles im Dunkeln liegt und weitere Forschung angezeigt ist.
Durch die geringen Dichten an Organismen im Grundwasser wird erwartet, dass trotz des Vorkommens von Organismen nicht jede Beprobung auch tatsächlich in einem Fund mündet. Aus diesem Grund ist es wichtig zu wissen, wie intensiv und lange nach Organismen gesucht werden muss, um ein Vorkommen oder Nicht-Vorkommen mit einer hohen Wahrscheinlichkeit feststellen zu können. Dazu wurden an 99 Stellen Mehrfachbeprobungen durchgeführt (bis zu zehn aufeinanderfolgende Beprobungen mit einer Dauer von jeweils einigen Tagen). Dank dieser wiederholten Beprobungen können Aussagen über die Nachweiswahrscheinlichkeit von Flohkrebsen gemacht werden. Eine Auswertung der Daten bezüglich Flohkrebsfunden mittels hierarchischer Auftretensmodelle [26, 27] zeigte, dass sowohl die feinmaschigen Netze an den Rohwasserzuführungen, als auch die Beprobung des Bodenbereiches der Überlaufbecken mittels eines kleinen Aquarienkeschers bei einem tatsächlichen Vorkommen von Flohkrebsen in ähnlich vielen Fällen zu einem Fund führen (61,1% resp. 58,1%). Die Daten zeigen zudem, dass in ungefähr 29% der Brunnenstuben mit Flohkrebsen gerechnet werden muss, obwohl in der Pilotstudie tatsächlich nur in etwa 25% der Stellen ein Nachweis gelang. Diese Abweichung ist mit der nicht hundertprozentigen Sicherheit eines Nachweises bei tatsächlichem Vorkommen zu erklären. Mit einer nur einmaligen Beprobung der Wasserfassungen wird also nicht unbedingt die gesamte vorhandene Grundwasserfauna erfasst. Mehrfachbeprobungen erhöhen die Zuverlässigkeit mit jeder weiteren Probe und mit drei Proben kann eine 95%ige Zuverlässigkeit über den Nachweis gewährleistet werden. Noch nicht systematisch untersucht wurden mögliche saisonale Schwankungen.

Unerwartet grosse Vielfalt im Grundwasser

Die Flohkrebse waren die häufigste Organismengruppe der gefundenen Grundwasserfauna. Daneben konnten weitere 1483 Individuen aus 18 verschiedenen biologischen Ordnungen (30 Familien) in unterschiedlichen Häufigkeiten nachgewiesen werden, wobei es sich vor allem um Asseln (Isopoda) und Schnecken (Littorinimorpha) handelte. Dass einige Arten sehr häufig sind, während die meisten Arten nur selten vorkommen, ist ein häufig zu beobachtendes Muster in der Natur [28] und entspricht den Erwartungen. Einige Gruppen von Organismen sind sehr häufig, während andere Gruppen nur sehr selten zu finden sind. Zusammengezählt machten die Flohkrebse, Asseln und Schnecken über 50% der Funde aus. Alleine die Krebstiere machten 43,1% aus und unterstreichen deren Bedeutung für die Grundwasserfauna. Bei 11% der Organismen war eine Bestimmung bis auf Ordnungsniveau nicht möglich.
Erstaunlicherweise konnten auch einige Ordnungen, die erwartungsgemäss eher mit Oberflächengewässern oder terrestrischen Habitaten assoziiert sind, gefunden werden. Unter anderem Hautflügler (Hymenoptera), wie beispielsweise Ameisen, oder Käfer (Coleoptera). Diese könnten ein Hinweis auf das Eindringen von Oberflächenwässern in den Grundwasserleiter sein oder anderweitig in die Brunnenstube eingedrungen sein.
Mit den gewonnenen Daten über die Grundwasserfauna wollten die Forschenden ausserdem einen Bezug zur Oberflächennutzung des Einzugsgebietes oder zu chemisch-physikalischen Parametern herstellen. Aufgrund der verfügbaren Daten diesbezüglich können vorläufig aber noch keine aussagekräftigen Aussagen gemacht werden. Einige chemische Parameter (z. B. ph-Wert) scheinen einen Rückschluss über das allfällige Vorkommen von Flohkrebsen im Grundwasser zuzulassen, es sind aber noch weitere Daten notwendig, um zuverlässige Rückschlüsse ziehen zu können.
Zusammengefasst kann festgehalten werden, dass im Schweizer Mittelland an vielen Stellen eine vielfältige Grundwasserfauna vorkommt, die sowohl für das Trinkwasser als auch für den Biodiversitätsschutz eine bedeutende Rolle einnimmt. Durch das freiwillige Engagement vieler lokaler Wasserversorgungen konnte ein erster grober Überblick gewonnen werden, was den Nutzen einer solchen Zusammenarbeit unterstreicht. Weiterführende Studien sind bereits geplant und werden noch im Jahr 2020 beginnen.

Ausblick

Fundierte Grundlagen über die Verbreitung und Biodiversität der Grundwasser bewohnenden Flohkrebse und weiterer Grundwasserorganismen wird eine durch das Bundesamt für Umwelt Bafu unterstützte Studie liefern, die dieses Jahr durch die Forschungsgruppe Altermatt an der Eawag und der Universität Zürich gestartet wird. Diese soll die Diversität und Verbreitung der Grundwasser bewohnenden Flohkrebse schweizweit erfassen. Auch sollen endemische Arten im Grundwasser dokumentiert werden und die Bedeutung der Grundwasserfauna für die ökologische Infrastruktur der Schweiz aufgezeigt werden. Dadurch sollen weitere Grundlagen für einen breiten Grundwasserschutz geliefert werden. Mit den zusätzlichen Daten soll zudem ein Link zu hydrogeologischen und chemischen Parametern (z. B. Pestizide) hergestellt werden, um eine allfällige mögliche Nutzung der Flohkrebse als Bioakkumulatoren im Grundwasser zu testen. Eine Analyse zwischen deren Vorkommen und dem Auftreten von PSM im Grundwasser etabliert dafür die Grundlagen.
Parallel dazu soll eine gänzlich neue Methode zum Nachweis von Organismen im Grundwasser getestet und etabliert werden. Dabei handelt es sich um die sogenannte Umwelt-DNA (eDNA). Dazu werden nicht die Organismen selbst, sondern nur von denselben abgegebenes Erbgutmaterial (DNA; beispielsweise Zellfragmente, Kot, Schleim) aus dem Wasser extrahiert und sequenziert. Die daraus gewonnenen Sequenzen spezifischer Abschnitte des Erbgutes ermöglichen Aussagen über das Vorkommen von Organismen. Dadurch können Rückschlüsse über die Zusammensetzung der Artgemeinschaft gemacht werden, ohne dass physisch Organismen gefangen und identifiziert werden müssen [29]. Damit könnte mittelfristig durch einfache Wasserproben die Diversität rasch und kostengünstig erfasst werden. Die entsprechenden Wasserprobenahmen könnten auch einfach in bestehende Prozesse des Trinkwassermonitorings (z. B. Nationale Grundwasserbeobachtung NAQUA) eingebunden werden und Aspekte abdecken, die mit den bisherigen Methoden nicht erfasst werden (Biologie des Grundwassers).

Bibliographie

[1] Freiburghaus, M. (2012): Statistische Übersicht über die Wasserversorgung in der Schweiz 2010. Aqua & Gas 92(3), 54–59
[2] Griebler, C.; Avramov, M. (2015): Groundwater ecosystem services: a review. Freshwater Science 34(1), 355–367
[3] Schminke, H.K. et al. (2007): Grundwasserfauna Deutschlands. Ein Bestimmungswerk, DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., Hennef
[4] Boulton, A.J. et al. (2008): Biodiversity, functional roles and ecosystem services of groundwater invertebrates. Invertebrate Systematics 22(2), 103–116
[5] Griebler, C.; Malard, F.; Lefébure, T. (2014): Current developments in groundwater ecology – from biodiversity to ecosystem function and services. Current Opinion in Biotechnology 27, 159–167
[6] Burri, N.M. et al. (2019): A review of threats to groundwater quality in the anthropocene. Science of the Total Environment 684, 136–154
[7] Munz, N.A. et al. (2017): Pesticides drive risk of micropollutants in wastewater-impacted streams during low flow conditions. Water Research 110, 366–377
[8] Munz, N.A.; Fu, Q.; Stamm, C.; Hollender, J. (2018): Internal Concentrations in Gammarids Reveal Increased Risk of Organic Micropollutants in Wastewater-Impacted Streams. Environmental Science and Technology 52(18), 10347–10358
[9] Kiefer, K.; Müller, A.; Singer, H.; Hollender, J. (2019): New relevant pesticide transformation products in groundwater detected using target and suspect screening for agricultural and urban micropollutants with LC-HRMS. Water Research 165, 114972
[10] Di Lorenzo, T. et al. (2015): Ammonium threshold values for groundwater quality in the EU may not protect groundwater fauna: evidence from an alluvial aquifer in Italy. Hydrobiologia 743(1), 139–150
[11] Di Lorenzo, T. et al. (2019): Recommendations for ecotoxicity testing with stygobiotic species in the framework of groundwater environmental risk assessment. Science of the Total Environment 681, 292–304
[12] Arndt, H. et al. (2012): Grundwasserbiologie –Grundlagen und Anwendungen, DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V., Hennef, Germany
[13] Díaz, S. et al. (2019): Pervasive human-driven decline of life on Earth points to the need for transformative change. Science 366(6471), eaax3100
[14] Gibert, J.; Danielopol, D.L.; Stanford, J.A. (1994): Groundwater Ecology, Academic Press, San Diego
[15] Danielopol, D.L.; Pospisil, P.; Rouch, R. (2000): Biodiversity in groundwater: A large-scale view. Trends in Ecology and Evolution 15(6), 223–224
[16] Altermatt, F. et al. (2019): Amphipoda (Flohkrebse) der Schweiz. Fauna Helvetica 32, info fauna CSCF & SEG, Neuchâtel
[17] Fišer, C. et al. (2017): Taxonomic, phylogenetic and ecological diversity of Niphargus (Amphipoda: Crustacea) in the Hölloch cave system (Switzerland). Systematics and Biodiversity 15(3), 218–237
[18] Fišer, C. et al. (2018): Translating Niphargus barcodes from Switzerland into taxonomy with a description of two new species (Amphipoda,
Niphargidae). ZooKeys 760, 113–141
[19] Steube, C.; Richter, S.; Griebler, C. (2009): First attempts towards an integrative concept for the ecological assessment of groundwater ecosystems. Hydrogeology Journal 17(1), 23–35
[20] Burdon, F.J. et al. (2019): Agriculture versus wastewater pollution as drivers of macroinvertebrate community structure in streams. Science of the Total Environment 659, 1256–1265
[21] Bährmann, R.; Müller, H.J. (2015): Bestimmung wirbelloser Tiere, Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg
[22] Freude, H.; Harde, K.W.; Lohse, G.A. (1981): Die Käfer Mitteleuropas, Goecke & Evers, Krefeld
[23] Hebert, P.D.N. et al. (2003): Biological identifications through DNA barcodes. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 270(1512), 313–321
[24] Altermatt, F. et al. (2014): Diversity and distribution of freshwater amphipod species in Switzerland (Crustacea: Amphipoda). PLOS ONE 9(10), e110328
[25] Schellenberg, A. (1934): Amphipoden aus Quellen, Seen und Höhlen. Zoologischer Anzeiger 106, 200–209
[26] MacKenzie, D.I. et al. (2002): Estimating Site Occupancy Rates When Detection Probabilities Are Less Than One. Ecology 83(8), 2248–2255
[27] Fiske, I.J.; Chandler, R.B. (2011): Unmarked: An R package for fitting hierarchical models of wildlife occurrence and abundance. Journal of Statistical Software 43(10), 1–23
[28] Whittaker, R.H. (1965): Dominance and diversity in land plant communities. Science 147(3655), 250–260
[29] Pawlowski, J. et al. (im Druck): Environmental DNA applications in biomonitoring and bioassessment of aquatic ecosystems, Bundesamt für Umwelt (Bafu), Bern, Switzerland