Uni­ver­si­tät Bay­reuth: Inter­na­tio­na­le Stu­die zum Nitrat­ab­bau im Grundwasser

Nitrat­ab­bau im Grund­was­ser: Selbst­rei­ni­gungs­kraft des Unter­grunds höher als angenommen

Prof. Dr. Stefan Peiffer, Universität Bayreuth, und Prof. Dr. Jan Fleckenstein, Helmholtz Zentrum für Umweltforschung Leipzig (v.l.). Foto: Chr. Wißler.

Prof. Dr. Ste­fan Peif­fer, Uni­ver­si­tät Bay­reuth, und Prof. Dr. Jan Flecken­stein, Helm­holtz Zen­trum für Umwelt­for­schung Leip­zig (v.l.). Foto: Chr. Wißler.

Der Ein­trag von reak­ti­vem Stick­stoff in Gewäs­ser ver­ur­sacht welt­weit schwe­re öko­lo­gi­sche Schä­den. Umso wich­ti­ger sind natür­li­che Rei­ni­gungs­pro­zes­se im Unter­grund, die wenig­stens einen Teil die­ser Ver­schmut­zung wie­der besei­ti­gen kön­nen. Ein inter­na­tio­na­les For­schungs­team unter Lei­tung der Uni­ver­si­tät Ren­nes (Frank­reich), an der auch Hydro­lo­gen der Uni­ver­si­tät Bay­reuth und vom Helm­holtz Zen­trum für Umwelt­for­schung (UFZ) betei­ligt waren, kommt zu dem Schluss, dass die Kapa­zi­tät vie­ler tie­fer Grund­was­ser­lei­ter Nitrat zu ent­fer­nen wohl höher ist als oft ange­nom­men. Im renom­mier­ten Fach­jour­nal PNAS stel­len die For­scher eine robu­ste Metho­de zur Bewer­tung die­ses Selbst­rei­ni­gungs­po­ten­zi­als vor.

Reak­ti­ver Stick­stoff gelangt über stick­stoff­hal­ti­ge Dün­ge­mit­tel der Land­wirt­schaft sowie durch den Ein­trag aus der Atmo­sphä­re in den Boden. Dort wird ein Teil von Pflan­zen auf­ge­nom­men, der Rest wird vor allem als Nitrat in tie­fe­re Boden­schich­ten aus­ge­spült und gelangt schließ­lich ins Grund­was­ser. „Die Pro­zes­se, die sich in den tie­fen Boden­schich­ten abspie­len, wer­den durch unse­re übli­chen Mess­vor­rich­tun­gen jedoch kaum erfasst. Des­halb ist es meist schwer fest­zu­stel­len, wie­viel Stick­stoff bis ins Grund­was­ser und die von ihm gespei­sten Flüs­se trans­por­tiert wird“, sagt Dr. Tama­ra Kol­be, Wis­sen­schaft­le­rin an der schwe­di­schen Uni­ver­si­tät für Agrar­wis­sen­schaf­ten in Upp­sa­la und Erst­au­torin der Studie.

Ein inter­na­tio­na­les Team von Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­lern hat es nun mit­hil­fe einer neu­en Metho­de geschafft, das Rei­ni­gungs­po­ten­zi­al des Unter­grunds zu bewerten.

Basis der For­schungs­ar­beit sind Daten zu Qua­li­tät und Alter des Grund­was­sers aus mehr als 50 Grund­was­ser­brun­nen in Frank­reich und den USA. Zur Über­ra­schung der Wis­sen­schaft­ler zeig­ten sich bei 80 Pro­zent der Brun­nen Zei­chen eines deut­li­chen Abbaus von Nitrat in der Tie­fe. Kol­be und ihre Koau­toren füh­ren das auf die Exi­stenz von ener­gie­rei­chen Mine­ra­li­en im Unter­grund zurück. Die­ser Zusam­men­hang lässt sich dadurch erklä­ren, dass eini­ge Mikro­or­ga­nis­men bei der Atmung anstel­le von Sauer­stoff Nitrat umset­zen kön­nen. Dabei wird das Nitrat in harm­lo­ses Stick­stoff­gas umge­wan­delt, das den Groß­teil der Atmo­sphä­re aus­macht. Damit die­ser Umwand­lungs­pro­zess statt­fin­den kann, benö­ti­gen die Mikro­ben eine Ener­gie­quel­le. Die­se fin­den sie in der Regel im orga­ni­schen Koh­len­stoff (z.B. aus Pflan­zen­re­sten) der Böden. Aller­dings erreicht nur ein gerin­ger Teil des orga­ni­schen Koh­len­stoffs tie­fe­re Grund­was­ser­lei­ter. Häu­fig ist das grund­was­ser­füh­ren­de Gestein jedoch reich an ener­gie­rei­chen Mine­ra­li­en wie Eisen- und Schwe­fel­ver­bin­dun­gen. Eini­ge Mikro­or­ga­nis­men kön­nen die­se Gesteins­mi­ne­ra­li­en nut­zen, um damit Nitrat abzu­bau­en, auch lan­ge nach­dem der orga­ni­sche Koh­len­stoff bereits auf­ge­braucht ist.

„Dies ist auch des­halb eine gute Nach­richt, weil Trink­was­ser häu­fig aus Grund­was­ser­lei­tern in gro­ßer Tie­fe gewon­nen wird“, erklärt Prof. Ste­fan Peif­fer von der Uni­ver­si­tät Bay­reuth und Mit­au­tor der Stu­die. Aus die­sem Befund folgt aller­dings nicht, dass stick­stoff­hal­ti­ger Dün­ger beden­ken­los in unbe­grenz­ter Men­ge auf Acker­flä­chen aus­ge­bracht wer­den darf. „Die Ver­füg­bar­keit mine­ra­li­scher Ener­gie­quel­len für den mikro­biel­len Nitrat­ab­bau im Unter­grund ist end­lich und das Schutz­po­ten­zi­al des Unter­grunds damit begrenzt”, warnt Mit­au­tor Prof. Jan Flecken­stein vom Helm­holtz-Zen­trum für Umwelt­for­schung (UFZ).

Die Ergeb­nis­se der Stu­die könn­ten auch erklä­ren, war­um Nitrat aus dem Grund­was­ser selbst dann noch in Fließ­ge­wäs­ser gelan­gen kann, wenn die Ein­trä­ge in den Boden schon längst stark redu­ziert oder sogar gestoppt wur­den. Ver­schmutz­tes Was­ser kann über lan­ge Zeit­räu­me im Unter­grund unter­wegs sein, ohne dass die rich­ti­gen Bedin­gun­gen für den Nitrat­ab­bau ange­trof­fen wer­den. So kann es zu einer erheb­li­chen Zeit­ver­zö­ge­rung zwi­schen einem umwelt­freund­li­che­ren Manage­ment in der Land­wirt­schaft und gesün­de­ren Öko­sy­ste­men kom­men. „Die Metho­den, die wir im Rah­men unse­rer Stu­die ent­wickelt haben, las­sen uns die Erho­lungs­zeit­räu­me für kon­ta­mi­nier­te Grund­was­ser­lei­ter bes­ser abschät­zen. Die­ses Wis­sen könn­te Ver­ant­wort­li­che in der Umwelt­po­li­tik auch vor unrea­li­sti­schen Erwar­tun­gen bewah­ren“, ergänzt Tama­ra Kolbe.

Ver­öf­fent­li­chung:

Tama­ra Kol­be, Jean-Ray­nald de Dreu­zy, Ben­ja­min W. Abbott, Luc Aqui­li­na, Tri­stan Babey, Chri­sto­pher T. Green, Jan H. Flecken­stein, Thier­ry Labas­que, Anniet M. Laver­man, Jean Mar­çais, Ste­fan Peif­fer, Zah­ra Tho­mas, and Gil­les Pinay: Stra­ti­fi­ca­ti­on of reac­ti­vi­ty deter­mi­nes nitra­te remo­val in ground­water. https://​doi​.org/​1​0​.​1​0​7​3​/​p​n​a​s​.​1​8​1​6​8​9​2​116

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