Klimawandel beeinflusst Grundwasserqualität

In einem neuartigen experimentellen Ansatz führten Simon A. Schroeter und Gerd Gleixner vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie zusammen mit einem großen Forschungsteam Langzeitanalysen des Grundwassers in Deutschland durch. Sie nutzten die Anwesenheit von gelöstem organischem Material als Indikator für Wasserverschmutzungen und bestätigten so grundlegende Veränderungen der Grundwasserstabilität. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass extreme Wetterereignisse bereits jetzt die Qualität des Grundwasser und die Art seine Neubildung verändern“, sagt der Erstautor der Studie, Simon Schroeter.

Neue Analysemethoden für Langzeitstudien

Zwischen 2014 und 2021 untersuchte das Forschungsteam das Grundwasser und die entsprechenden hydroklimatischen Bedingungen an drei geologisch unterschiedlichen Standorten in Deutschland. Sie analysierten die Wasserqualität, indem sie Tausende verschiedene Molekülarten auf ihrem Weg vom Boden ins Grundwasser verfolgten. Im Gegensatz zur bisherigen Standardmethode, der Messung der Gesamtkonzentration von gelöstem organischem Kohlenstoff, ermöglichte ihnen ihr neu entwickelter, ungerichteter Ansatz, Veränderungen in der Menge und chemischen Zusammensetzung unzähliger organischer Moleküle zu erkennen.

Während des achtjährigen Analysezeitraums identifizierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler klare langfristige Trends: eine zunehmende Anreicherung organischer Substanzen, die von der Oberfläche ins Grundwasser gelangen, sowie sinkende Grundwasserspiegel. Zudem stellten sie eine eindeutige Verbindung zwischen der steigenden Wasserbelastung und extremen Wetterereignissen fest, insbesondere mit der Dürre im Jahr 2018.

Die neue Methode ist in der Lage Veränderungen der Grundwasserqualität wesentlich empfindlicher zu erkennen als die üblicherweise angewandte Kohlenstoffmessung. Sie könnte daher in Zukunft als Frühindikator für eine Verschlechterung der Grundwasserqualität dienen, bevor Grenzwerte überschritten werden. Während die Methode auf organischen Molekülen als Indikatoren für die Verschmutzung beruht, können die tatsächlichen Verunreinigungen alle Schadstoffe umfassen, die von der Oberfläche ausgewaschen werden.

Extreme Wetterereignisse als Treiber der Verschmutzung

Grundwasser wird in der Regel durch Niederschläge, die durch den Boden sickern, wieder aufgefüllt. Fremdstoffe, die an der Oberfläche vom Regen aufgenommen werden, werden während des Transports durch den Boden durch Haftung an Bodenminerale entfernt oder von Bodenmikroben verstoffwechselt. Dieser natürliche Filtrationsprozess führt zu hochreinen Grundwasserressourcen. Regen kann jedoch manchmal schnell in tiefere Bodenschichten fließen. Dadurch umgeht das Wasser die Filtrierung, sodass gelöste Stoffe von der Oberfläche und den oberen Bodenschichten vermehrt in das Grundwasser transportiert werden.

Korrelation zwischen Dürre und sinkendem Grundwasserspiegel

Dies zeigt sich besonders nach extremen Regenfällen und ausgeprägten Trockenperioden. Anhaltende Dürre führt zu großen Rissen im Boden und vermindert die Fähigkeit der oberen Bodenschichten, Regenwasser aufzunehmen. Unter solchen Bedingungen versickert das Wasser entweder schneller ins Grundwasser oder fließt verstärkt in Flüsse, Seen und Ozeane ab, wodurch der Grundwasserspiegel unzureichend aufgefüllt wird. Gleichzeitig wird das Wasser mit unerwünschten und potenziell schädlichen Substanzen aus der Oberfläche und den oberen Bodenschichten belastet. Dazu zählen organische Stoffe, Herbizide und Pestizide, mikrobiologische Rückstände wie Antibiotika sowie weitere Fremdstoffe.

Notwendigkeit eines nachhaltigen Grundwassermanagements

Die Reinigungsfähigkeit des Bodens ist besonders relevant für Gebiete, in denen das Grundwasser als sauber und trinkbar gilt, z. B. für Regionen in Mittelitalien, Nordostspanien, Zentral- und Südwestfrankreich sowie in ganz Deutschland. Gerd Gleixner, Leiter der Forschungsgruppe, fügt hinzu: „Unsere Methode wird dabei helfen, frühzeitig Risiken für Grundwasser zu erkennen, das als sauber und sicher für unsere Nutzung gilt. Unsere Forschungsergebnisse unterstreichen die dringende Notwendigkeit, ein nachhaltiges Wassermanagement zu etablieren, zum Schutz dieser lebenswichtigen Ressource.“

Interdisziplinäre Forschung zur Wassersicherheit

Die Studie ist Teil des deutschen Sonderforschungsbereichs AquaDiva, einer interdisziplinären Initiative, geleitet von Kirsten Küsel, Susan Trumbore und Kai Totsche, die sich auf das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Oberflächen- und Untergrundökosystemen und deren Reaktion auf Umweltveränderungen konzentriert. Durch die Integration von Fachwissen aus den Bereichen Biogeochemie, Hydrogeologie und Mikrobiologie will AquaDiva die komplexen Prozesse aufdecken, die Grundwasserökosysteme steuern, und ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Klimawandel untersuchen.

Originalpublikation:
Schroeter, S.A., Orme, A.M., Lehmann, K. et al. Hydroclimatic extremes threaten groundwater quality and stability. Nat Commun 16, 720 (2025).
doi.org/10.1038/s41467-025-55890-2

Quelle: Planck-Institut für Biogeochemie