Grundwasserbiodiversität

BRUNNENSTUBEN geben EINBLICK IN DIE GRUNDWASSERÖKOSYSTEME

Die schweizweite Studie wurde zwischen 2021 und 2022 durchgeführt. Dabei wurden Proben der Grundwasserfauna in Zusammenarbeit mit lokalen Trinkwasserversorgern gesammelt. Die an der Studie teilnehmenden Wasserversorger beprobten ihre Brunnenstuben auf passiv ausgespülte Organismen (Fig. 1 A, B). Hauptsächlich wurde ein Filternetz (Maschenweite 0,8 mm) verwendet, das in den Brunnenstuben am Quellzulauf jeweils eine Woche lang montiert wurde (Fig. 1 A, B). Danach wurden die im Netz eingespülten Organismen gesammelt und in mit Ethanol gefüllte Proberöhrchen übertragen. In wenigen Fällen wurde ein Aquarienkescher (Maschenweite 0,35 mm) verwendet, um die Organismen direkt aus dem Überlaufbecken zu sammeln (Fig. 1 A).

Die gesammelten Organismen wurden morphologisch meist auf Ordnungsniveau bestimmt. Flohkrebse der Gattungen Niphargus (Grundwasserflohkrebse) und Gammarus (Flohkrebse aus Oberflächengewässern) wurden zudem für weitere Forschungsarbeiten molekulargenetisch bis auf das Artniveau identifiziert. Zusätzlich wurden alle Proben fotografiert, um die Biomasse und die Pigmentierung zu erfassen. Dazu wurde anhand einer automatisierten Methode (Bildverarbeitungsprogramm ImageJ) die Fläche aller Organismen aus den Bildern gemessen und daraus die Biomasse jeder Probe berechnet. Da die Schüttmenge je nach Standort variierte, wurde die Biomasse pro Schüttmenge standardisiert. Dafür wurde anhand der Schüttmenge und der Dauer der Beprobung die Biomasse pro 100 Megaliter (1 Megaliter (ML) = 1 Mio. Liter) berechnet. Zusätzlich wurde anhand dieser automatisierten Methode die Pigmentierung (hell/dunkel) aller Organismen aus den Bildern bestimmt. Die Biomasse in Kombination mit der Pigmentierung der Organismen können Hinweise über die Wechselwirkungen zwischen der Oberfläche und dem Grundwasser liefern. Dies geschieht unter der Annahme, dass unterirdische Organismen im Vergleich zu oberirdischen Organismen grundsätzlich eine hellere oder fehlende Pigmentierung aufweisen. Wenn eine hohe Biomasse an dunklen Organismen im Grundwasser gefunden wird, kann in Verbindung mit taxonomischem Wissen davon ausgegangen werden, dass eine Mehrheit der Organismen (und somit Energiequellen für die Grundwasserfauna) entweder passiv aus der Oberfläche ins Grundwasser transportiert wurde oder aktiv eingewandert ist.

GROSSE DIVERSITÄT AN OBER- UND UNTERIRDISCHEN MAKROINVERTEBRATEN

Für diese schweizweite Studie wurden insgesamt 462 Standorte aus 219 Gemeinden beprobt. Mehrere Standorte wurden wiederholt beprobt, sodass insgesamt 1955 Proben gesammelt wurden. Davon enthielten 1141 Proben (58%) insgesamt 8094 Organismen, die restlichen Proben waren leer. An 77% aller beprobten Standorten wurden Organismen gefunden (Fig. 2 A). Der Anteil an Standorten mit Organismenfunden im Vergleich zu Standorten ohne Organismenfunde entspricht der Erwartung aufgrund früherer Studien zur Grundwasserfauna [13, 14]. 97% der gesammelten Organismen konnten taxonomisch grob bestimmt werden. Die übrigen Organismen konnten, meist aufgrund ihres schlechten Zustandes, nicht einer taxonomischen Gruppe zugeordnet werden.

Die gesammelten Organismen gehören zu unterschiedlichen taxonomischen Gruppen, die oberirdische und/oder unterirdische Ökosysteme bewohnen (Fig. 2 B). Insgesamt konnten Organismen aus zwölf biologischen Ordnungen (9 Klassen) nachgewiesen werden. Die vorliegende Studie erfasst nur Organismen, die grösser als etwa 1 mm sind. Kleinere Organismen, wie zum Beispiel Ruderfusskrebse, Fadenwürmer oder Mikroorganismen, stellen zwar ebenfalls einen wichtigen Bestandteil der Grundwasserfauna dar, wurden jedoch aufgrund der verwendeten Beprobungsmethode nicht berücksichtigt. Zu den am häufigsten identifizierten Organismengruppen (höchste Anzahl an Individuen) gehören Grundwasserflohkrebse und Grundwasserasseln (Fig. 3). Diese zwei Gruppen von echten Grundwasserbewohnern wurden regelmässig in Brunnenstuben gefunden und gehören somit zu den weitverbreiteten Gruppen (Fig. 3). Unsere Studie zeigt: Oberflächennahes Grundwasser ist ein wichtiges Habitat für Grundwasserflohkrebse und Grundwasserasseln.

Aquatische Insektenlarven (z. B. Steinfliegen- und Köcherfliegenlarven) sowie verschiedene adulte Insekten wurden relativ weit verbreitet gefunden (Fig. 3). Hingegen wurden vornehmlich Oberflächengewässer bewohnende Eintagsfliegenlarven und Flohkrebse der Gattung Gammarus nur an wenigen Stellen, dort jedoch teils in relativ hoher Anzahl gefunden (Fig. 3). Aus ökologischer Sicht könnte das Vorkommen von grundwasserfremden Organismengruppen in Brunnenstuben die Wechselwirkung und die Konnektivität zwischen Grundwasser- und Oberflächengewässern an der Übergangszone dieser Ökosysteme widerspiegeln [15, 16, 17, 18]. Von einigen dieser Organismen ist bekannt, dass sie je nach Lebensbedingungen aktiv in die Übergangszone zwischen Oberflächengewässern und Grundwasser einwandern (z. B. Gattungen der Steinfliegenlarven [6]). Hingegen werden wohl andere Organismen oder deren Überreste eher zufällig mit dem Wasser in die Grundwasserleiter gespült und könnten dort als Nahrungsquelle dienen.

Anhand der Verbreitungskarten spezifischer Organismen sind einige interessante Verbreitungsmuster erkennbar. Beispielsweise zeigen die Karten das schweizweite Vorkommen von Grundwasserasseln und Grundwasserflohkrebsen (Fig. 4).

Steinfliegenlarven wurden hauptsächlich in den Alpen gefunden, was ihre geringe Toleranz gegenüber verschmutzten Bächen und ihre Präferenz für sauerstoffhaltiges, kühles Wasser widerspiegeln könnte [19, 20]. Interessanterweise wurden Eintagsfliegenlarven und Flohkrebse aus Oberflächengewässern eher sporadisch gefunden, im Vergleich zum häufigen Vorkommen anderer aquatischer Makroinvertebraten wie Steinfliegen- oder Köcherfliegenlarven. Um detailliertere Verbreitungsmuster zu erhalten, wäre die Bestimmung auf Gattungs- oder Artniveau nötig.

Zusammenfassend konnte anhand der Grundwasserfaunaproben ein breites Vorkommen und eine hohe Vielfalt an Organismen in den oberflächennahen Grundwasserökosystemen der Schweiz nachgewiesen werden. Insbesondere Grundwasserasseln und Grundwasserflohkrebse sowie weitere aquatische und terrestrische Organismengruppen wurden an vielen Stellen und in teils erheblicher Anzahl gefunden.

HINWEISE FÜR WECHSELWIRKUNGEN

Die Biomasse konnte für 75% der beprobten Standorte standardisiert berechnet werden. Für die restlichen Standorte war die Analyse der standardisierten Biomasse zusammen mit der Pigmentierung aufgrund fehlender Angaben zur Schüttmenge und/oder Dauer der Beprobung nicht möglich. An 22% der Stellen mit standardisierten Proben wurde keine Biomasse gesammelt. Die höchste hochgerechnete Biomasse betrug 21 182 g pro 100 ML Grundwasser, wobei an nur fünf beprobten Standorten eine Biomasse von mehr als 2600 g pro 100 ML Grundwasser berechnet wurde. Der Median der gesammelten Biomasse betrug 3 g pro 100 ML Grundwasser. Das bedeutet, dass die eine Hälfte der Proben weniger als 3 g Biomasse pro 100 ML Grundwasser enthielt und die andere Hälfte mehr als 3 g Biomasse pro 100 ML Grundwasser. Wenn man bedenkt, dass 100 ML etwa 40 olympischen Schwimmbädern entsprechen, wird deutlich, dass die Biomasse im Grundwasser grundsätzlich relativ gering ist.

49% der Organismen waren dunkel pigmentiert, während die restlichen 51% hell pigmentiert waren. Zu den hell pigmentierten Organismen gehörten insbesondere Grundwasserasseln und Grundwasserflohkrebse sowie unter anderem einige Steinfliegenlarven, Köcherfliegenlarven, Schnecken und Wenigborster. An 67% der beprobten Standorte wurden dunkel und hell pigmentierte Organismen gesammelt. Hingegen wurde an 20% der Stellen nur dunkel pigmentierte und an 13% der Stellen nur hell pigmentierte Biomasse gesammelt. Tendenziell wurde pro Standort mehr dunkel pigmentierte Biomasse gesammelt als hell pigmentierte, jedoch variiert die Biomasse für beide Kategorien in einem ähnlichen Wertebereich (Fig. 5).

Die Menge an hell pigmentierter Biomasse stellt eine Annäherung an den Anteil der unterirdischen Fauna in den Proben dar (Organismen mit einem hohen Bezug zu unterirdischen Lebensräumen wie Boden- oder Grundwasserökosysteme). Sie steht im Einklang mit der erwarteten geringen Biomasse von Grundwasserökosystemen aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von Ressourcen [21]. Der Anteil an dunkel pigmentierter Biomasse in oberflächennahen Grundwasserökosystemen der Schweiz weist auf den Eintrag von Biomasse aus der Oberfläche hin, was für die Grundwasserfauna von hoher Bedeutung sein könnte.

Zusammengefasst sind die grosse Diversität an ober- und unterirdischen Organismen sowie die nach der Pigmentierung quantifizierte Biomasse im Grundwasser starke Hinweise für Wechselwirkungen zwischen Oberflächengewässern, terrestrischen Habitaten und dem Grundwasser. Kenntnisse über diese Wechselwirkungen sind entscheidend für den Schutz der Grundwasserfauna und den Erhalt der wichtigen Ökosystemdienstleistungen des Grundwassers. Eine enge Verbindung zwischen diesen Ökosystemen bedeutet, dass menschliche Aktivitäten, die die Oberflächenökosysteme beeinflussen, auch Auswirkungen auf Grundwasserökosysteme haben könnten.

AUSBLICK

Die vorliegende Studie gibt einen ersten Überblick der Grundwasserbiodiversität der Schweiz. In oberflächennahen Grundwasserökosystemen ist eine hohe Vielfalt an weit verbreiteten Organismen vorhanden. Grundsätzlich bestehen aber noch grössere Erkenntnislücken, spezifisch im Bereich von Prozessen, die die Vielfalt und das Vorkommen von Organismen beeinflussen. Langfristig wäre ein Monitoring der Schweizer Grundwasserbiodiversität erstrebenswert, zusätzlich zu den heute bereits angewendeten Monitoringprogrammen der Oberflächengewässer. So könnten allfällige Veränderungen in der Zusammensetzung von biologischen Gemeinschaften in Grundwasserökosystemen festgestellt werden. Unsere Studie zeigt eine dafür potenziell geeignete Methode auf.

Weiterführende Studien können dazu beitragen, das Vorkommen der Grundwasserfauna in Zusammenhang mit der Grundwasserqualität besser zu verstehen. Zudem wäre es wertvoll, das Potenzial einzelner Arten als mögliche Bioindikatoren für die Wasserqualität besser zu untersuchen. Dies erfordert jedoch eine genauere taxonomische Bestimmung. Die Erhebung einer fundierten Datengrundlage ist ein wichtiger Schritt für ein besseres Verständnis und den Schutz der Schweizer Grundwasserfauna.

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