Starkregen-Ereignisse treten durch den Klimawandel immer häufiger auf. Durch sie können vermehrt Pathogene wie Bakterien und Viren ins Erdreich eingespült werden. Wie können in so einem Fall Wasserversorger und lokale Behörden vorhersagen, wie weit und wie schnell sich diese in einem Wassereinzugsgebiet ausbreiten? Dieser Frage geht die die Technische Universität (TU) Berlin im Projekt „PrePat“ nach.

Das von den Forschenden der TU Berlin initiierte Vorhaben hat das Ziel, einen „Werkzeugkasten“ von mikrobiologisch-hydrogeologischen Untersuchungsmethoden zu entwickeln. In experimentellen Transportversuchen im Grundwasser werden dabei Modellkeime eingesetzt, die nicht krank machen.

Versiegelung stört Bodenschutzfunktion

Durch den Klimawandel sind Niederschläge nicht mehr so gleichmäßig verteilt wie früher. Die punktuell sehr hohen Wassermengen bei Starkregen und auch die immer flächendeckender versiegelten Böden führen dazu, dass die natürliche Schutzfunktion des Bodens unwirksam wird und Abwassersysteme überfordert sind. So werden vermehrt Bakterien, Viren und lösliche Schadstoffe in das Grundwasser eingetragen.

Diese stammen zum Beispiel aus der Gülle auf Feldern und Wiesen oder vom Reifenabrieb auf den Straßen. Hinzu kommt, dass in Deutschland Regenwasser und Abwasser zum Teil gemeinsam entsorgt werden – und bei überlaufenden Sammelbecken dieses Gemisch ohne Aufbereitung in die Umwelt gelangen kann.

Erkenntnisse über Wegstrecken

„Für die Wasserversorger stellt sich dadurch die konkrete Frage, in welchen Mengen diese unerwünschten Stoffe und Keime in Grundwasserleiter gelangen, aus denen Trinkwasser entnommen wird. Sie brauchen Erkenntnisse dazu, aus welchen Entfernungen noch ein Eintrag durch große Regenmengen stattfinden kann und wie schnell dieser nach einem Starkregen-Ereignis im Quellwasser ankommt“, erklärt Ferry Schiperski vom Fachgebiet Angewandte Geochemie der TU Berlin, der das Forschungsprojekt koordiniert.

Bisher wurden ähnliche Untersuchungen in Grundwasser-Einzugsgebieten mit in Wasser gelösten Markierungssubstanzen oder mit kleinsten, kugelförmigen Plastikpartikeln durchgeführt. „Beides kann aber das reale Verhalten von Viren und Bakterien im Untergrund nur sehr schlecht simulieren“, sagt Schiperski. „Wir wollen deshalb erstmals einen Werkzeugkasten mit harmlosen Modell-Keimen und den dazugehörigen Untersuchungsmethoden entwickeln, der als Standard von anderen Forschenden und Praktiker*innen im Bereich der Wasserversorgung genutzt werden kann.“

Experimente mit Modellkeimen

Als Modell-Bakterien kommen unter anderen drei Spezies der Gattung Aquabacterium in Betracht, die auch im Berliner Trinkwasser enthalten sind. Als Virenprototypen dienen zwei Arten von „Bakteriophagen“, also Viren, die nur Bakterien befallen können. Aufgrund ihrer Ungefährlichkeit für den Menschen werden sie in der Forschung seit längerem als Virenmodelle benutzt, zum Beispiel in Studien zur Übertragbarkeit von Krankheiten.

„Wir wollen sogar testen, wie sich einzelne DNA-Moleküle ohne Bakterienhülle im Untergrund verbreiten“, erzählt Ulrich Szewzyk vom Fachgebiet Umweltmikrobiologie der TU Berlin. Durch solche extrazelluläre DNA können Antibiotikaresistenzen weitergegeben werden. Auch hier dienen ungefährliche Erbgutbausteine als Modelle. Eingebracht werden alle Versuchskeime in einem sehr gut untersuchten Wassereinzugsgebiet auf der Schwäbischen Alb in Baden-Württemberg.
 
Untersuchungen mit PCR

Es hat den besonderen Vorteil, dass dort alle Einträge über die Grundwasserleiter an einer Stelle zusammenlaufen: Am Ende einer drei bis zwölf Kilometer langen Reise in 50 bis 100 Metern Tiefe werden die Keime in der Gallusquelle landen. Sie liegt in einem Seitental des Donautals und wird von einem örtlichen Wasserversorger genutzt. Die Einbringung der Keime erfolgt über mehrere Regenüberlauf-Becken auf dem Gebiet. „Wir können hier den natürlichen geologischen Untergrund nutzen und haben trotzdem fast Laborbedingungen“, schwärmt Schiperski.

Bei hohen Wassereinträgen rechnen die Forschenden damit, dass bereits nach etwa einem Tag Keime von ihrem Einbringungsort zur Gallusquelle gelangt sind; bei niedrigem Grundwasserspiegel kann dies dagegen auch eine Woche oder länger dauern. Untersucht wird das Quellwasser dann mit hochauflösenden PCR-Verfahren – seit Corona als Methode zur Virendetektion bekannt. Gleichzeitig werden aber auch einfacher zu bestimmende Parameter gemessen, etwa Leitfähigkeit, Temperatur, pH-Wert und Trübung des Wassers.

Entwicklung von preiswerten Tests

„Wir hoffen, damit preiswert zu bestimmende Indikatoren zu finden, die auf eine Kontamination des Grundwassers hindeuten“, erklärt Schiperski. „Die Indikatoren könnten als Frühwarnsystem genutzt werden, wann nach Starkregen Trinkwasser aus dem Untergrund unbedingt abgekocht werden sollte. Mit einem besseren Verständnis des Eintrags von Keimen können außerdem Wasserschutzgebiete besser eingegrenzt werden. Dies hat etwa für die Landwirtschaft auch eine große wirtschaftliche Bedeutung.“ (hp)