Wie natürliche hydrologische Indikatoren helfen, den lokalen Grundwasserleiter zu verstehen
Der malerische Berg Fuji ist ein Stratovulkan mit markanten steilen Seiten und einer konischen Form. Jährlich sickern 2,2 Milliarden Tonnen Regen und Schnee durch die vielschichtigen Lavaspalten und werden zu sauberem Quell- und Brunnenwasser. Dieses Wasser wird täglich von den Einheimischen konsumiert. Auch Fischzüchter, Industrien wie die Papierherstellung, Chemie, elektronische Geräte usw. sind auf diese flüssige Ressource angewiesen. Aus diesem Grund arbeiten Wissenschaftler wie Prof. Dr. Oliver Schilling intensiv daran, die Entwicklung und das Verhalten des Grundwasserleiters in der Region zu verstehen, um seinen Schutz sicherzustellen.
Prof. Dr. Schilling ist Assistenzprofessor für Hydrogeologie an der Universität Basel sowie Leiter der Gruppe Tracer-Hydrogeologie an der Eawag. Er und sein Team (Dr. Stephanie Musy, Dr. Yama Tomonaga und Doktorandin Friederike Currle) kombinieren innovative Messtechniken natürlicher Marker mit ausgefeilten mathematischen Modellen, um die komplexe Hydrogeologie des vulkanischen Grundwassersystems des Fuji zu verstehen. In diesem Kurzinterview erklärt Prof. Dr. Schilling, wie sie Bakterien als hydrologische Tracer nutzen und BactoSense in ihrer Forschung einsetzen.
In Ihrer vorherigen Arbeit haben Sie sich auf physikalisch-chemische Tracer konzentriert. Was bringt das Online-Bakterienmonitoring sonst noch?
In unserer ersten Studie suchten wir nach Mustern, die uns Aufschluss darüber geben könnten, ob ein signifikanter Beitrag des Grundwassers aus einem mehr als 100 Meter tiefen, begrenzten Grundwasserleiter zu dem flachen, nicht begrenzten Grundwasser und den Quellen am südwestlichen Fuss des Mount Fuji vorliegt. Dazu kombinierten wir verschiedene Tracer-Techniken, nämlich die Analyse von Helium-Isotopen (zur Identifizierung von mit Mantelgasen angereichertem Tiefenwasser), Vanadium (zur Identifizierung von Tiefenwasser mit seinem langen und tiefen Fliessweg) und mikrobieller eDNA (zur Identifizierung extremophiler Mikroben, die an das Leben in grossen Tiefen/Druckbereichen angepasst sind). Anhand dieser Messungen konnten wir Quellen und flache Brunnen identifizieren, die einen erheblichen Zufluss von Tiefengrundwasser erhielten. Einige der am stärksten vom Tiefengrundwasser betroffenen Brunnen waren die grösseren Brunnen, die für die Trinkwasserversorgung genutzt werden. In unserer laufenden Folgestudie wollen wir nun unsere räumliche Kartierung des tiefen Grundwasserauftriebs erweitern und die zeitliche Variabilität des tiefen Grundwasserzuflusses in den Trinkwasserbrunnen quantifizieren.
Da dies eine der seismisch aktivsten Regionen Japans ist, erwarten wir saisonale Schwankungen beim Auftrieb von tiefem Grundwasser und Veränderungen im Zusammenhang mit seismischen Ereignissen wie Erdbeben. Zu diesem Zweck nutzen wir neben Online-Messungen gelöster (Edel-)Gase auch die Online-Durchflusszytometrie.
Wie kombinieren Sie eDNA- und BactoSense-Messungen?
Mit BactoSense überwachen wir kontinuierlich die Veränderungen der mikrobiellen Zusammensetzung im Trinkwasserbrunnen. Wir führen auch wiederholte räumliche Messkampagnen durch, bei denen wir verschiedene Quellen und Brunnen auf eine Vielzahl hydrologischer Tracer, einschliesslich mikrobieller eDNA, untersuchen. Die eDNA-Proben werden dann auf BactoSense und mittels Next-Generation-Sequenzierung analysiert, um die durchflusszytometrischen Fingerabdrücke mit metagenomischen/phylogenetischen Informationen abgleichen zu können.
BactoSense ist robust und transportabel konzipiert. Welche Erfahrungen haben Sie damit in der Praxis gemacht?
Bisher war es eine tolle Erfahrung. Obwohl wir das Instrument auf unseren Flügen von der Schweiz nach Japan als normales Aufgabegepäck mitnehmen mussten, hatten wir dank eines gut gepolsterten Peli-Reisekoffers und der sehr robusten Bauweise von BactoSense keinerlei Probleme mit der Funktionalität des Instruments. Innerhalb von nur einem Arbeitstag wurde es im Trinkwasserbrunnenhaus aufgebaut und läuft nun seit über zwei Monaten reibungslos. Besonders gut gefällt uns die Möglichkeit, das Instrument aus der Ferne zu bedienen.
Die Wasserqualität des Fujiyama nimmt ab, wie in Ihrer vorherigen Veröffentlichung erwähnt. Gilt das auch für den Bakteriengehalt? Wie kann BactoSense dabei helfen, dieses Phänomen zu überwachen?
Die Probleme mit der Wasserqualität am Fujiyama sind nicht so sehr eine Frage der Hygiene, sondern vielmehr eine Frage der landwirtschaftlichen und industriellen Verschmutzung und des stetig sinkenden Wasserspiegels in bestimmten Gebieten innerhalb des Einzugsgebiets. Aufgrund der starken seismischen Aktivität in der Region und der zunehmenden Häufigkeit sintflutartiger Regenfälle (wir haben bereits die Auswirkungen eines 350-mm-Regenereignisses in 48 Stunden erfasst) wird die Überwachung der mikrobiellen Belastung durch Online-Durchflusszytometrie zweifellos zu einer Schlüsseltechnologie werden, um die Sicherheit des Trinkwassers auch im Fuji-Einzugsgebiet zu gewährleisten.
Der Berg Fuji ist symbolisch. Wie können Ihre Erkenntnisse auf andere Regionen übertragen werden?
Ja, der Fuji ist mit seiner nahezu perfekten konischen Form ein Wahrzeichen. Es ist auch ein nahezu perfektes Beispiel für ein vulkanisches Grundwasserleitersystem mit sehr komplexer Hydrogeologie, starker seismischer Aktivität und extremen meteorologischen Ereignissen. Es ist ein gutes Modell für andere Vulkaninseln und Küstenvulkanregionen. Solche Systeme werden in hydrogeologischer Hinsicht immer noch selten untersucht, und unsere Ergebnisse werden dazu beitragen, Überwachungstechniken und -protokolle zu entwickeln, die für ein nachhaltiges und belastbares Trinkwassermanagement in Vulkangebieten von entscheidender Bedeutung sind.
Finanzierung:
Das Projekt ist eine Gemeinschaftsarbeit zwischen den Gruppen von Prof. Oliver Schilling von der Universität Basel und Prof. Yuji Sano von der Universität Kochi in Japan. Es wird vom Schweizerischen Nationalfonds und der Japan Society for the Promotion of Science über ihr japanisch-schweizerisches Wissenschafts- und Technologieprogramm kofinanziert (Projekt IZLJZ2_214048).