„Wir wissen mehr über die Oberfläche des Mondes als über unsere Trinkwasserressource“

Doch welche Tierarten leben im Grundwasser? Wie lässt sich das feststellen? Und welche Rückschlüsse lassen sich ziehen, wenn sich die Bestände einer Art verändern? Mit diesen Fragen beschäftigen sich Professor Dr. Klaus Schwenk und PD Dr. Hans Jürgen Hahn. Beide sind am Campus Landau tätig: Klaus Schwenk ist Professor für Molekulare Ökologie. Hans Jürgen Hahn lehrt und forscht er als Privatdozent im Bereich der Umweltwissenschaften.

Mit molekularbiologischen Methoden mehr über Grundwasserorganismen erfahren

Fragt man die beiden, worin eine der größten Herausforderungen für ihre Forschung besteht, dann wird schnell klar, dass es vor allem die äußeren Merkmale der Grundwassertiere sind. Aufgrund der räumlichen Enge leben dort unten sehr kleine Organismen. Die permanente Dunkelheit trägt ihr Übriges dazu bei, dass sich vor allem Arten entwickeln, die auf den ersten Blick eher unspektakulär erscheinen. Hans Jürgen Hahn: „Morphologen haben es beim Grundwasser schwer. Die dort lebenden Tiere sind insgesamt sehr uniform gebaut.“ Und Klaus Schwenk ergänzt: „Und dann sterben uns auch die Taxonomen aus.“ Also jene Experten, die ein Tier aufgrund seiner äußeren Merkmale erkennen – und einer Art zuordnen können. Hier gebe es laut Schwenk einen immer größer werdenden Mangel an Fachleuten. 

Zudem stößt das Team um Schwenk und Hahn immer wieder auf sogenannte kryptische Arten. So nennen Biologen eine äußerlich nicht unterscheidbare Gruppe von Lebewesen, die sich untereinander jedoch nicht geschlechtlich fortpflanzen können. Da ein wichtiges Kriterium für die Definition einer Art, die Fortpflanzungsfähigkeit, nicht erfüllt ist, können Lebewesen dieser Gruppe also nicht ein und derselben Art zugeordnet werden. „Letztendlich lassen sich solche kryptischen Arten oft nur durch einen Blick ins Erbgut richtig einordnen“, meint Klaus Schwenk. Das Gute: Mit den modernen Methoden der Gentechnik ist das heutzutage problemlos möglich. Klaus Schwenk ist Experte auf dem Gebiet: „DNA-Barcoding“ nennt sich das Verfahren, mit dessen Hilfe sich die genetischen Besonderheiten eines Tieres ermitteln – und aufgrund dieser Informationen einer Art zuordnen lassen. „Die Besonderheit ergibt sich aus der Abfolge der vier Bausteine“ – also aus den Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin – aus denen sich das Erbmolekül DNA zusammensetzt.

Welche Tiere leben im Grundwasser?

Um an Untersuchungsexemplare zu gelangen, entnehmen die Forschenden um Schwenk und Hahn zunächst Proben aus dem Grundwasser. Dazu sammeln sie die Tiere mit Planktonnetzen oder Pumpen vom Boden der Grundwassermessstellen. „Aber auch an Quellen, wo das Grundwasser direkt zu Tage tritt, besteht die Möglichkeit, dass wir an Proben kommen“, berichtet Hahn. 

„Sind die Tiere dann bei uns im Labor, entnehmen wir ihnen DNA“, erklärt Klaus Schwenk. Und er ergänzt: Neben dem „Einfangen“ der Tiere gebe es eine weitere Möglichkeit, an deren genetische Material zu kommen: Dabei werde in Grundwasserproben nach sogenannter eDNA gesucht, die Abkürzung steht für „environmental DNA“ – also „Umwelt-DNA“. „Diese wird in geringen Mengen von Organismen an ihre Umwelt abgegeben.“ Unter strengsten Reinst-Labor-Bedingungen werden die entsprechenden Grundwasserproben von seinem Team auf eDNA untersucht. „Dafür haben wir ein spezielles Labor etabliert“, berichtet Klaus Schwenk stolz. Wie kniffelig die Arbeit ist, zeigt sich allein schon daran, dass die dort tätigen Mitarbeiter Schutzkleidung tragen müssen, um die Proben nicht zu verunreinigen. 

„Haben wir die genetischen Besonderheiten ermittelt, dann gleichen wir diese mit Datenbanken ab.“ So wollen die Forschenden herausfinden, ob die Informationen schon einer bestimmten Tierart zugeschrieben wurden. Doch auch das ist gar nicht so einfach: „Ein Problem ist, dass es beim Grundwasser zu wenig Referenzwerte gibt“, berichtet Schwenk, „jede Fischart oder Vogelart ist in einer Datenbank beschrieben“. Doch für die Arten im Grundwasser sind solche Informationsquellen weniger üppig ausgestattet. Schwenk: „Es gibt einfach noch zu wenig Referenzwerte für Tiere im Grundwasser.“ Deshalb bauen er und seine Mitarbeiter derzeit eine solche Referenz-Datenbank auf. 

Gefördert werden die Forschungsarbeiten des Teams um Schwenk und Hahn unter anderem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWi) und der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU).

Grundwasserforschung ist wie Detektivarbeit

Eine weitere Herausforderung besteht für Schwenk und Hahn darin, die gewonnen Erkenntnisse zu interpretieren. „Das ist wie Detektivarbeit“, erklärt Klaus Schwenk. Finden sie beispielsweise in einer Grundwasserprobe ungewöhnlich viele Tiere und Arten, so bedeute dies, dass die Kleinstlebewesen am entsprechenden Ort viel Nahrung finden. Möglicherweise aufgrund von Materialien, die eigentlich nicht – oder nicht in großen Mengen – im Grundwasser vorkommen sollten. Schwenk und Hahn können mit ihrem Team auch erkennen, ob Oberflächenwasser in untersuchtes Grundwasser gelangt. Genau das wäre nämlich der Fall, wenn sie DNA von Oberflächenarten in ihren Proben finden würden. „Und genau das wäre schlecht“, meint Hahn. „Das würde zeigen, dass das Risiko einer Kontamination besteht“, dass also Grundwasser durch Schadstoffe von der Erdoberfläche verunreinigt wird. 

Das von Hahn und Schwenk erforschte Wissen wird über die Ausgründung IGÖ GmbH in die Praxis überführt. Hans Jürgen Hahn ist Geschäftsführer der IGÖ: „Wir erstellen beispielsweise Risiko-Bewertungen für Wasserversorger. Diese kommen auf uns zu und wollen wissen, wie sicher ihre Anlage ist.“ Ein typisches Szenario für Schwenk und Hahn: „Ein Wasserversorger findet Tiere in seinen Wasserproben, die dort nicht hingehören.“ Bei mehreren Zuläufen stelle sich dann die Frage, wo die Tiere herkommen. Gebe es beispielsweise drei Quellen, so identifizieren die Forschenden zunächst die genetischen Besonderheiten der an den drei Quellen ansässigen Tiere. Dann werden die Verwandtschaftsverhältnisse mit den gefundenen Tieren genetisch abgeglichen. „Das ist wie ein Vaterschaftstest“, erklärt Schwenk. Und Hahn ergänzt: „Aufgrund unserer Ergebnisse weiß der Wasserversorger dann, welchen Zulauf er abdrehen muss, um eine mögliche Verunreinigung auszuschließen.“ 

Oft finden sie bei ihrer Arbeit auch neue Arten. „Bei einer Untersuchung in Bayern beispielsweise“, berichtet Hahn, „es handelte sich um einen Raupenhüpferling, den unsere Studierenden gefangen hatten.“ Ein Krebstier. Die meisten Tiere, die sie im Grundwasser finden, seien übrigens Krebstiere, Fadenwürmer, Schnecken und Muscheln. 

 „Grundwassertiere tragen dazu bei, dass das Wasser gereinigt wird. Wird es zu warm, dann sind sie weg“

Aber auch den Einfluss von sich verändernden Umweltbedingungen untersuchen die beiden Grundwasserforscher. Hans Jürgen Hahn nennt ein Beispiel: „Die meisten Grundwassertiere fühlen sich am wohlsten bei Temperaturen von unter 14 Grad Celsius.“ Und sie seien gegenüber großen Temperaturschwankungen wenig tolerabel. Anders als übrigens Oberflächenarten, die Temperaturschwankungen – in gewissen Grenzen – relativ gut wegstecken können. „Im Rahmen unserer Untersuchungen haben wir herausgefunden, dass es im Oberrheingraben für die dortige Fauna im Grundwasser kritisch wird, wenn die Temperatur über 12,5 Grad Celsius ansteigt“, berichtet Hahn. Und Schwenk ergänzt: „Insgesamt stellt sich die Frage, wo regional die thermischen Schwellenwerte liegen. Und was passiert mit den Organismen im Grundwasser, wenn dieser Schwellenwert überschritten wird?“ Eine Frage, der bislang nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt wurde. Klaus Schwenk: „Grundwassertiere tragen dazu bei, dass das Wasser gereinigt wird. Wird es zu warm, dann sind sie weg.“ Von Natur aus sei das Grundwasser in der Vergangenheit gleichbleibend kühl geblieben, ergänzt Hahn. Doch der Klimawandel lasse auch die Grundwassertemperaturen steigen, was mittlerweile bis in 100 m Tiefe nachzuweisen sei. 

Überhaupt könne der Klimawandel verschiedene Auswirkungen auf das Grundwasser haben, die sich heutzutage in ihrer Gesamtheit noch gar nicht abschätzen ließen. Klaus Schwenk: „Die Vegetationszeit hat sich in den letzten dreißig Jahren um drei Wochen verlängert, weil es im Herbst und Frühjahr draußen länger warm ist: Die Bäume bleiben länger grün, brauchen dementsprechend mehr Wasser.“ Wasser, das dann eben nicht mehr für die Grundwasserneubildung zur Verfügung steht. Und Schwenk ergänzt: „Wir entnehmen einfach auch zu viel Grundwasser. Wir müssen lernen, mit dieser Ressource nachhaltiger umzugehen.“

Das Gleichgewicht von Oberflächenwasser und Grundwasser gerate durcheinander, mahnt Hans Jürgen Hahn. Gebe es zu wenig Grundwasser, sinke dessen Druck – und Oberflächenwasser könne in das Grundwasser versickern. „Und es so möglicherweise verschmutzen.“

Grundwasser ist Gewässer des Jahres 2022

Grundwasserforschende werden in den nächsten Jahren also einiges zu tun bekommen. Bisher führte der Bereich ein Schattendasein. Damit sich das ändert, setzen Hahn und Schwenk verstärkt nun auch auf Öffentlichkeitsarbeit: „Ein großes Ereignis wird die Landesgartenschau im Frühjahr 2022 in Neuenburg am Rhein sein.“ Hier sind sie mit ihrer Forschung an einer Ausstellung beteiligt, die anschließend auch in Museen zu sehen sein wird. Auch Projekte mit ehrenamtlichen Bürgern sollen für die Thematik Grundwasser sensibilisieren. Und es freut die beiden, dass Grundwasser – im Rahmen einer Initiative des Umweltbundesamtes – zum Gewässertyp des Jahres 2022 ernannt wurde. Auch der Weltwassertag am 22. März, zu dem die Vereinten Nationen jährlich aufrufen, steht 2022 unter dem Motto „Groundwater: Making the Invisible Visible“: „Unser Grundwasser: der unsichtbare Schatz“. Weltweit soll so auf dessen Bedeutung aufmerksam gemacht werden. Klaus Schwenk unterstreicht die Notwendigkeit: „Wir wissen mehr über die Oberfläche des Mondes als über das System, das für die Reinhaltung unseres Trinkwassers zuständig ist.“ Genau das wollen Hans Jürgen Hahn und er ändern.

Prof. Dr. Klaus Schwenk studierte Biologie an der Goethe-Universität Frankfurt und wurde von der Universität Utrecht, Niederlanden, promoviert. Anschließend arbeitete er an der Universität von Amsterdam sowie an der Guelph-University in Kanada und habilitierte sich an der Goethe-Universität Frankfurt auf dem Gebiet der molekularen Ökologie aquatischer Organismen. Seit dem Jahr 2009  leitet Klaus Schwenk die Arbeitsgruppe Molekulare Ökologie am Institut für Umweltwissenschaften Landau und ist Gastwissenschaftler am Senckenberg Biodiversität und Klima Forschungszentrum und am LOEWE-Zentrum für Translationale Biodiversitätsgenomik (TBG). 

PD Dr. Hans Jürgen Hahn ist Limnologe und Ökologe. Seit 2008 lehrt und forscht er als Privatdozent  im Institut für Umweltwissenschaften am Campus Landau. Gleichzeitig ist er Geschäftsführer des Instituts für Grundwasserökologie IGÖ  GmbH. Nach Abschluss seines Studiums 1990 war Hahn fast  acht Jahre lang beim BUND Landesverband Rheinland-Pfalz als Naturschutzreferent und Projektleiter  tätig. Daneben promovierte an der Universität Gießen (1996) und wechselte dann nach Landau,  wo  er sich 2006 mit einer Arbeit über die biologische Bewertung des Grundwassers habilitierte. Er  befasst sich vor allem mit der Ökologie des Grundwassers, der Quellen und der Bachsedimente,  aber auch mit der Biologie des Trinkwassers. Ein Schwerpunkt seiner Arbeit ist die Entwicklung  biologischer Bewertungsansätze für Grund- und Trinkwasser. Zunehmend beschäftigen ihn auch der Klimawandel und dessen Auswirkungen auf den Landschaftswasserhaushalt, auf Grund- und Trinkwasser.   

Wissenschaftliche Veröffent-lichungen (Auswahl):

Berg-Stein, S.v.d., Hahn, H.J., Thielsch, A., Schwenk, K., 2021. Diversity and dispersal of aquatic invertebrate species from surface and groundwater: Development and application of microsatellite markers for the detection of hydrological exchange processes. Water Research, 117956.

van den Berg-Stein, S., Thielsch, A., Schwenk, K., Hahn, H.-J., 2019. StygoTracing – ein biologisches Tracerverfahren für Grund- und Trinkwasser. KW Korrespondenz Wasserwirtschaft 12, 217-223.

Weitere wissenschaftliche Veröffentlichungen hier.