Mikroorganismen und Fauna im Grundwasser: Ökologische Vielfalt im Untergrund

11.02.2015 - Im Grundwasser leben unzählige Mikroben und auch allerlei Kleinsttiere. Für die Wasserqualität ist dies kein Nachteil - im Gegenteil: Die Lebewesen sorgen dafür, dass unsere wichtigste Trinkwasserressource rein bleibt. Zudem können sie mögliche Gefährdungen anzeigen. Neuere Studien des BAFU vermitteln Einblicke in den Untergrund.

Fauna im Grundwasser
Bestens angepasst an die Dunkelheit des Lebens im Grundwasser: Höhlenflohkrebs (a), Urzeitkrebs (b) aus der Familie der Brunnenkrebse, Muschelkrebs (c) und Assel (d).
© K. Grabow und H. Stein, IGÖ GmbH, Landau (D)

Text: Hansjakob Baumgartner

Die Unterwelt der Gewässer ist ein unwirtlicher Ort. Das Wasser ist kalt und nährstoffarm. Es gibt wenig Sauerstoff, die Räume sind eng, und es herrscht ewige Finsternis. Und doch findet sich hier Leben. «Das Grundwasser ist ein biologisch erstaunlich aktives System», stellt Michael Sinreich von der Sektion Hydrogeologische Grundlagen beim BAFU fest. Krebschen, Würmer, Milben, Schnecken sowie unzählige Mikroben tummeln sich darin.

Es sind teils skurrile Wesen, denn die widrigen Existenzbedingungen erfordern spezielle Anpassungen. So brauchen die Tiere keine Augen, und auch Farben wären für sie zwecklos. Für ihre Ernährung muss das von der Oberfläche einsickernde organische Material reichen. Sie fristen deshalb ein Dasein auf Sparflamme, monatelange Fastenzeiten sind einprogrammiert. Knauserig sind sie auch bei der Fortpflanzung: Im Unterschied zu den meisten wirbellosen Arten, die sich bei der Nachwuchsproduktion verschwenderisch verhalten, legen die Weibchen in der Regel bloss wenige Eier. Kompensiert wird die geringe Fortpflanzungsrate durch ihre Langlebigkeit. Manche Grundwassertiere werden bis zu 15 Jahre alt - für Wirbellose ein biblisches Alter.

Lebende Fossilien

Etliche Vertreter der Grundwasserfauna sind lebende Fossilien. Ihre Vorfahren haben sich vor Jahrmillionen in den Untergrund verzogen, weil sich das Klima änderte. Während oben Wärmezeiten kamen und gingen und die Gletscher wuchsen und schmolzen, herrschten im Untergrund konstante Bedingungen. Dies ermöglichte es den hier vorkommenden Arten, unverändert bis in die Gegenwart zu überleben. Dagegen sind ihre oberirdischen Verwandten längst ausgestorben.

Diese Sonderlinge des Tierreichs bilden allerdings bloss eine winzige Minderheit unter den Organismen, welche die wassergefüllten Poren, Lücken und Klüfte des Untergrunds bevölkern. Den allergrössten Teil des Lebens im Grundwasser machen nämlich zahllose Mikroben aus. Obwohl diese oft mit Krankheitserregern in Verbindung gebracht werden, ist die Mikrowelt des Grundwassers keineswegs schädlich. Sie bildet vielmehr den Grundpfeiler der natürlichen Lebensgemeinschaft in diesem verborgenen Ökosystem.

Mikroorganismen bauen Schadstoffe ab

Grundwasser deckt in der Schweiz mehr als 80 % des Trinkwasserverbrauchs. Davon können 40 % unbehandelt in die Verteilnetze eingespeist werden. Die gute Qualität ist insbesondere den im Untergrund lebenden Mikroorganismen und Kleinsttieren zu verdanken. Sie bauen organische Verbindungen ab und eliminieren Schadstoffe sowie krank machende Keime. Damit sie das weiterhin tun können, muss ihre Lebensgemeinschaft intakt bleiben. Gemäss der Gewässerschutzverordnung (GSchV) des Bundes soll diese denn auch naturnah, standortgerecht und typisch sein für nicht oder nur schwach belastete Gewässer.

Die im Jahr 1998 formulierte Forderung war insofern mutig, als damals noch niemand eine Ahnung hatte, wie sich die Unterwelt der Wasserorganismen zusammensetzen muss, um den gesetzlichen Anforderungen zu genügen. Je nach Beschaffenheit eines Grundwasserleiters, seiner Boden- und Deckschicht, deren Filterwirkung sowie der Art der Grundwasserneubildung kann sich der Referenzzustand stark unterscheiden. Heute weiss man mehr - vor allem über die Fülle und die molekularbiologische Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften im Untergrund. Erkenntnisse über hierzulande verbreitete Grundwassertiere liefert nun eine Studie, die das Institut für Grundwasserökologie an der Universität Landau (D) 2013 im Auftrag des BAFU bearbeitet hat.

Fangnetze für Grundwassertiere
Im Auftrag des BAFU haben Fachleute des Instituts für Grundwasserökologie an der Universität Landau (D) die Tierwelt an 8 Quellen im Jura und im Mittelland untersucht. Dazu dienten ihnen engmaschige Fangnetze.
© H. Stein und H. J. Hahn, IGÖ GmbH, Landau (D)

Hohe ArtenvielfaltAn Quellaustritten gelangt das Grundwasser an die Oberfläche. Für dessen Untersuchung bestimmte das Forschungsteam die Tierwelt an 8 Quellen im Jura sowie im Mittelland, die zum Messnetz der Nationalen Grundwasserbeobachtung NAQUA gehören. Die Ergebnisse lassen auf eine hohe Artenvielfalt der dortigen Grundwasserfauna schliessen. Unter den insgesamt 40 bestimmten Arten findet sich mit dem nur im Jura verbreiteten Raupenhüpferling Stygepactophanes jurassicus auch ein Endemit - das heisst eine Art, die nur in dieser räumlich abgegrenzten Umgebung vorkommt.Das Ökosystem Grundwasser ist Teil der Biodiversität unseres Landes. «Ähnlich wie bei den intakten Lebensräumen von Quellen sind im Grundwasser Arten zu finden, für deren Erhaltung die Schweiz eine Verantwortung trägt», betont Stephan Lussi von der Sektion Lebensraum Gewässer beim BAFU. «Es ist deshalb wichtig, mehr darüber zu wissen, in welchen Grundwassersystemen und wie häufig solche national prioritären Arten vorkommen.»Die Fauna charakterisiert die WasservorkommenAn den einzelnen Quellen haben die Fachleute pro Kubikmeter austretendes Wasser bis zu 10 Tiere gezählt. Neben echten Grundwasserarten, welche spezielle Anpassungen an diesen Lebensraum zeigen und ausschliesslich da vorkommen (Stygobionte), fanden sich auch Tiere, die weniger strikt an das Grundwasser gebunden sind, aber eine gewisse Affinität zu ihm zeigen. Sie wandern aktiv ein, wenn genügend Sauerstoff und Nahrung vorhanden sind (Stygophile). Und schliesslich waren in den Proben auch Oberflächenarten vertreten, die gelegentlich passiv ins Grundwasser verdriftet werden (Stygoxene).Individuenzahl sowie Zusammensetzung der Fauna an den Quellen sagen einiges über den jeweiligen Grundwasserleiter aus. Finden sich darin nur Stygobionte und dies in eher geringer Zahl, ist er gegenüber Oberflächeneinflüssen gut abgeschirmt. Kommen hingegen vorwiegend stygophile und sogar stygoxene Arten vor, muss man davon ausgehen, dass hin und wieder Wasser direkt von oben zufliesst und Nahrung einbringt. Dies gilt namentlich für Grundwasserleiter in Karstgebieten, wo das Oberflächenwasser rasch versickert. Entsprechend schlecht sind diese natürlicherweise gegen Einträge von Schadstoffen - wie etwa Pflanzenschutzmittel oder Gülle - geschützt.Bioindikator für die GrundwasserqualitätDie Grundwasserfauna zeigt somit recht zuverlässig die hydrogeologischen Verhältnisse an. Sie reagiert zudem rasch auf Veränderungen ihres Lebensraums. Die Forschenden der Universität Landau erkennen in diesen Eigenschaften ein geeignetes Werkzeug für die biologische Überwachung des Grundwassers - insbesondere im Sinne eines Frühwarnsystems. Ihre Untersuchung deckt allerdings nur wenige Quellen und bloss einen Teil der Schweiz ab.Breiter ist die Datenbasis einer Studie über mikrobielle Gemeinschaften im Untergrund, die 2009 und 2010 im Rahmen eines BAFU-Projekts in Zusammenarbeit mit dem Wasserforschungsinstitut Eawag durchgeführt wurde. Damals beprobten die Forschenden 50 über die ganze Schweiz verteilte NAQUA-Messstellen. In den Proben bestimmten sie die Gesamtzahl der Bakterienzellen (Zellzahl) pro Milliliter Wasser. Dabei kam die Methode der Durchflusszytometrie zur Anwendung: Der Wasserprobe wird ein Fluoreszenzfarbstoff beigegeben, der sich an die Erbsubstanz - die DNA - jeder Bakterienzelle bindet und aufleuchtet, wenn die Zelle einen Laser passiert. Laut dem Ergebnis tummeln sich in einem Milliliter Grundwasser natürlicherweise 1000 bis mehrere 100‘000 Mikroben. Auch die Zellzahl steht in einem Zusammenhang mit dem Oberflächeneinfluss: Die höchsten Werte wiesen bei den Messungen Grundwasserleiter auf, deren Zufluss zu einem erheblichen Teil aus infiltrierendem Bachwasser stammt. Mit ihm werden nicht nur zahlreiche Mikroorganismen, sondern auch Sauerstoff und Nährstoffe eingetragen. Niedrige Zellzahlen zeichnen andererseits Grundwasser aus, das nur wenig durch äussere Faktoren beeinflusst ist. Die Werte korrelieren denn auch mit dem gemessenen Nährstoffangebot im Grundwasser, das heisst mit dem Gehalt an organischem Kohlenstoff. Zudem variiert die Welt der Mikroben über die Zeit stärker, wenn sie von den wechselnden Bedingungen an der Oberfläche - wie etwa der Witterung - geprägt ist.«Die Untersuchungen erbrachten wichtige Erkenntnisse über den natürlichen ökologischen Zustand von Grundwasserleitern und seine Variabilität», bilanziert Michael Sinreich. Stellt man eine Abweichung vom Referenzzustand fest, lässt dies auf eine Störung des Systems durch äussere Einflüsse schliessen - so zum Beispiel auf einen direkten Eintrag von fäkalen Verunreinigungen oder organischen Schadstoffen. Dieses Wissen könnte sich künftig für die Grundwasserbeobachtung nutzen lassen. Sinreich freut sich: «Mit den ökologischen Parametern steht uns ein zusätzliches, sehr sensibles Instrument zur Charakterisierung der Grundwasservorkommen zur Verfügung.»

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Letzte Änderung 27.03.2015

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