0 1e+5 2e+5 3e+5 4e+5 5e+5 6e+5 7e+5
ATP [pM ]
0 10 20 30 40 50
Rur- & Erftscholle Eifelscholle Alb-Donau Karst Alb-Donau Alluvium Ratzeburg
Soltau Obere Isar Isar
Abb. 52: Scatterplot für das Verhältnis zwischen Bakterienzahl und Gesamtkonzentration an ATP (n = 170).
Grundwässern zeigten ATP Konzentrationen von 0,05 bis etwa 10 pM (Schweizer Bundesamt für Umwelt, M. Sinreich, pers. Mittl.). Die etwas höheren ATP Werte aus unseren Untersuchungen erklären sich dadurch, dass Gesamt-ATP bestimmt wurde, während man sich in den schweizer Unter-suchungen ausschließlich auf die Konzentration des intrazel-lulären ATP konzentrierte. Der Anteil von intrazelintrazel-lulären ATP kann zwischen 3 bis 100 % variieren (Hammes et al., 2010). In zukünftigen Untersuchungen sollte zugunsten einer besseren Spezifizität und Vergleichbarkeit auch intrazelluläres ATP bestimmt werden.
Die bakterielle Kohlenstoffproduktion (BKP), als Messgröße für die Gesamtaktivität der bakteriellen Gemeinschaft und deren Kohlenstoffumsatz, zeigte ein etwas anderes Bild als die BA- und ATP-Werte. Vor allem der Standort Obere Isar bei Mittenwald hob sich durch außerordentlich geringe Werte von den anderen Untersuchungsgebieten ab. Die Präselektion von Messstellen ändert am Gesamtbild für die unterschiedlichen Untersuchungsgebiete nur wenig.
Eine Erklärung für die sehr ähnlichen Kohlenstoffprodukti-onswerte in den unterschiedlichen Grundwasserleitern ist, dass sich unter den ausgewählten Messstellen nur sehr weni-ge mit organischer Belastung befunden haben. Bei der weni- gerin-gen Verfügbarkeit von abbaubarem organischem Kohlenstoff kann keine hohe Kohlenstoffproduktion erwartet werden.
Die Grundwässer aus Ratzeburg und Soltau, welche hohe DOC-Werte aufwiesen, zeigten ähnliche BKP-Werte wie die oxischen Grundwässer anderer Standorte, jedoch bei einer deutlich geringeren zellspezifischen Aktivität. Wie bereits zuvor erläutert und in Abbildung 51 gezeigt, fanden sich in den reduzierten Grundwässern meist deutlich erhöhte Bak-teriengesamtzellzahlen. Die Erklärung liegt vermutlich in der Energieausbeute der Zellen. In Abwesenheit von Sauer-stoff und Nitrat als energetisch sehr günstige Elektronenak-zeptoren ist die Kohlenstoffassimilationseffizienz eisenredu-zierender oder sulfatredueisenredu-zierender Zellen deutlich geringer (Griebler 2003). Zusammenfassend lagen die BKP-Werte für die Grundwässer der meisten Untersuchungsgebiete unter 0,2 ng C L-1 h-1 und nur für die Wässer im Alb-Donau-Kreis unter 0,6 ng C L-1 h-1 (Abb. 51).
Als traditionelle mikrobiologische Messgröße wurde auch die Anzahl der Kolonien nach Bebrüten von Grundwas-ser auf einem nährstoffarmen Festmedium (R2A-Agar) für die Charakterisierung der untersuchten Grundwässer berücksichtigt. Wie aus Abbildung 51 ersichtlich, sind die Ergebnisse sehr unterschiedlich. Dies liegt in diesem Fall nicht an den Eigenschaften der beprobten Grundwässer, sondern an einem methodischen Problem. Um die KBEs (koloniebildende Einheiten) möglichst standardisiert zu er-fassen, wurden die Analysen an Labore vergeben, die in der Nähe der jeweiligen Untersuchungsstandorte lagen. Trotz Absprache stellte sich nach Abschluss der Analysen heraus, dass unterschiedliche Protokolle zur Bestimmung der KBEs zur Anwendung kamen. Dazu kam, dass einzelne Proben aus logistischen Gründen erst nach 2 – 3 Tagen zur Analyse
abgegeben werden konnten. Obwohl diese durchgehend gekühlt wurden, muss eine mikrobiologische Veränderung der Proben in dieser Zeitspanne angenommen werden.
Sauberes Grundwasser sollte unserer Erfahrung nach auf R2A-Agar keine KBE-Werte über 500 aufweisen (siehe dazu auch die Daten aus Freising; Abb. 51). Dies war bei den meisten Proben, in denen das vorgesehene Protokoll zum Einsatz kam, auch der Fall. Die in dieser Studie erhobenen KBE-Werte sind aus oben erläuterten Gründen für eine ver-gleichende Bewertung nur bedingt verwendbar.
Um die bakteriellen Gemeinschaften detaillierter in ihrer Zusammensetzung zu beschreiben, wurde mit Hilfe der mo-lekularbiologischen Fingerprintingmethode die Shannon-Di-versität, Evenness und Richness für alle Grundwasserproben im Jahr 2009 ermittelt. Es wird vorausgeschickt, dass für derartige Analysen mit namenlosen Taxa, den sogenann-ten operativen taxonomischen Einheisogenann-ten (OTUs; engl. für operational taxonomic units) gearbeitet wird. Die Richness bzw. die Anzahl an OTUs in einer Probe ist nicht identisch mit der Gesamtzahl an Bakterienarten. Vielmehr entspricht sie der Anzahl dominanter Arten oder eng verwandter Gruppen in einer Probe unter Berücksichtigung des metho-dischen Auflösevermögens. Bei T-RFLP-Fingerprintingana-lysen können etwa 300 – 400 Gruppen bzw. Arten in einer Probe (als OTUs) erfasst werden. Wie viele OTUs tatsächlich gefunden werden, hängt von der absoluten Abundanz der dominant vorhandenen Bakterienarten in der Probe ab.
Die Anzahl der OTUs in den Grundwasserproben variierte von etwa 20 bis 200 (Abb. 53). Die Grundwässer der Schwä-bischen Alb zeigten im Durchschnitt eine geringere Richness als die Standorte in der Niederrheinischen Bucht und die norddeutschen Untersuchungsgebiete. Der Standort Obere Isar zeigte interessanterweise eine starke Saisonalität, was vor allem auf den Einfluss der Schneeschmelze in diesem Gebiet zurückzuführen sein dürfte. Die Evenness zeigt in erster Linie an, ob einzelne Proben durch eine geringe Anzahl dominater OTUs (= geringe Evenness) charakterisiert sind. Dies ist oft ein Hinweis auf eine Störung oder auch auf natürliche stark selektive Lebensbedingungen.
Wie aus Abbildung 53 ersichtlich, zeigen einige Messstellen in der Schwäbischen Alb, aber auch jene bei Mittenwald (Obere Isar) und München (Freising) eine geringe Evenness.
Eine mögliche Erklärung liegt im saisonalen Einfluss auf diese Grundwasserleiter. Die genannten Messstellen unter-liegen einer ausgeprägten jahreszeitlichen Dynamik, erstere durch die Schmelzwässer aus den Bergen (Zhou et al., 2012), jene bei Freising durch den unweit entfernten Fluss (Isar) (Brielmann et al., 2009). Im Jahr 2007 wurde eine solche Dynamik auch für die Schwäbische Alb festgestellt. Die Veränderungen über das Jahr bieten nur ausgewählten Bakteriengruppen gute Lebensbedingungen zu den unter-schiedlichen Zeitpunkten. Dies kann zu einer wiederholten Abfolge des Aufkommens und Verschwindens von wenigen dominanten Arten bzw. Gruppen führen. Lebensräume mit
sehr konstanten Umweltbedingungen sind vielfach durch eine hohe Evenness gekennzeichnet.
Der Shannon- Index gilt als Maß für die Biodiversität und kombiniert die Richness und die Evenness. Zieht man in Betracht, dass die bakterielle Biodiversität im Grundwasser für gewöhnlich als sehr gering beschrieben wird, ist die Shannon-Diversität, wie wir sie für viele der untersuchten Grundwässer gefunden haben, überraschend hoch. Die Prä-selektion führte vor allem bei den Untersuchungsgebieten
Niederrheinische Bucht und Alb-Donau-Kreis zu niedrigeren Werten bei der Diversität. Dagegen änderten sich durch die Präselektion die anfänglichen Werte für die Standorte Freising und Soltau kaum (Abb. 53). Mittenwald (Obere Isar) zeigte die stärksten Unterschiede zwischen Frühjahr und Herbst, was zu einer großen Spannbreite des abgeleiteten Hintergrundwertebereichs führt.
Im folgenden Abschnitt werden die ersten Werte bzw. Wer-tebereiche für die natürliche mikrobiologische Grundwas-Abb. 53: Boxplots zur Richness (Anzahl an OTUs), Diversität (Shannon-Index) und Evenness (relative Abundanz von OTUs) vor (getrennt in Frühjahr und Herbst; links) und nach Präselektion (rechts).
* durch Präselektion alle Messstellen ausgeschlossen; + keine Daten vorhanden. F = Frühjahrsbeprobung, H = Herbstbeprobung.
0 50 100 150 200
*
+0 50 100 150 200
*
+*
2004060 10080 120140 160180 200
+
F H F H F H F H F H F H F H
4 24 26 3 15 13 14 24
A B C
3 6
Richness
17
1 2 3 4 5
*
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
* * *
F H F H F H F H F H F H F H
4 24 25 3 15 13 14 24 9
A B C
3 6
Shannon-Index
17
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
*
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
* * *
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
F H F H F H F H F H F H F H
4 24 25 3 15
13
14 24 9
Rur-& Erftscholle Buntsandstein Alb-Donau Karst Ratzeburg Soltau Obere Isar FreisingAlb-Donau Alluvium
B
Rur-& Erftscholle Buntsandstein Alb-Donau Karst Ratzeburg Soltau Obere Isar FreisingAlb-Donau Alluvium
Rur-& Erftscholle Buntsandstein Alb-Donau Karst Ratzeburg Soltau Obere Isar FreisingAlb-Donau Alluvium
3 6
Evenness
17
serbeschaffenheit aller untersuchten Standorte noch einmal kurz zusammengefasst (Tab. 12). Diese Zusammenstellung ist vorläufig und fern von einem vollständigen Zustandsbild.
Aufgrund der geringen Anzahl an untersuchten Messstellen je Gebiet sind die abgeleiteten Richtwerte statistisch nur unzureichend abgesichert. Sie bilden dennoch eine erste Basis für die ökologische Zustandsbewertung von Grund-wasserökosystemen. Wie eine solche Bewertung aussieht und auf welche Art und Weise die Grundwasserfauna dabei integriert werden kann, wird in den nachfolgenden Kapi-teln erläutert.