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Biologische Bewertung der Grundwasserökosysteme in Deutschland: Untersuchungen zum Auftreten der Fauna auf unterschiedlichen räumlichen Skalen

Biological assessment of groundwater ecosystems in Germany: faunal studies at different spatial scales

  • Der nachhaltige Grundwasserschutz erfordert ein Bewertungssystem, das Aussagen über den Ökosystemzustand zulässt. Folglich sollten, zusätzlich zu physikochemischen Analysen, auch faunistische und mikrobiologische Kriterien bei der Grundwasserbewertung berücksichtigt werden. Um die Anwendbarkeit und Eignung von Grundwasserorganismen für eine qualitative Grundwasserbewertung zu überprüfen, wurden zwischen 2002 und 2009 umfassende Untersuchungen verschiedener Grundwasservorkommen Deutschlands durchgeführt. Schwerpunkte waren die Überprüfung des Indikatorpotenzials von Grundwasserlebensgemeinschaften gegenüber Oberflächenwasser-Grundwasser-Interaktionen und anthropogener Belastungen sowie die Analyse stygofaunaler Verbreitungsmuster, als Basis und Referenz für ein faunistisches Bewertungssystem für Grundwasserlebensräume. Die Grundwasseruntersuchungen berücksichtigen lokale, regionale und biogeografische Verhältnisse. Um das Indikatorpotenzial der Grundwasserorganismen auf lokaler und regionaler Skala zu überprüfen, wurden Grundwassersysteme in Nordrhein-Westfalen (NRW) und Baden-Württemberg (BW) untersucht. Anhand der faunistischen und mikrobiologischen Daten aus quartären Lockergesteinsleitern im Erftgebiet (NRW) konnte die Sensibilität der Grundwasserorganismen gegenüber Landnutzungseffekten, z. B. extensive Landwirtschaft, aufgezeigt werden. Die Datenanalysen ergaben positive Korrelationen von organischem Material (geschätzter Detritus, TOC) und Nitrat mit der faunistischen Abundanz, Artenzahl und Diversität sowie dem Anteil grundwasserfremder Arten. Auch die bakterielle Abundanz und Diversität im Grundwasser des Erftgebiets war, verglichen mit oligotrophen Grundwassersystemen, hoch. Die Grundwassergemeinschaften zeigen einen erhöhten Oberflächeneintrag ins Grundwasser an, der mit der starken landwirtschaftlichen Nutzung einhergeht. Die Besiedlung des Grundwassers im Alb-Donau-Kreis (BW) wurde auf regionale (Naturraum, Grundwasserleitertyp, Hydrogeologie) und lokale Effekte (Vergleich einzelner Messstellen) untersucht. Dabei reflektierte die Fauna die Stärke des hydrologischen Austauschs auf unterschiedlichen räumlichen Skalen und zeigte auch die Überlagerung regionaler und lokaler Effekte an. Demnach hatten die hohe Konnektivität der untersuchten Karst- und Lockergesteinssysteme, Landnutzung, abschirmende Deckschichten, unterschiedliches Grundwasseralter und Messstellentiefe Auswirkungen auf die Diversität und Abundanz der Gemeinschaften. Die Bakteriengemeinschaften reflektierten vor allem die Zugehörigkeit aller Messstellen zu einem Grundwassersystem. Insgesamt sind die faunistischen und mikrobiologischen Daten charakteristisch für oligotrophe, oligoalimonische Grundwässer. Die Untersuchung großräumiger Besiedlungsmuster der Grundwasserfauna ergab signifikante biogeografische Unterschiede. Die subterranen Besiedlungsmuster weichen deutlich von bestehenden Gliederungssystemen für oberirdische Landschaften oder Fließgewässerzönosen ab. Die größten Abweichungen zwischen den stygofaunalen Verbreitungsmustern und den oberirdischen Gliederungssystemen wurden vor allem in den eiszeitlich überprägten Gebieten Nord- und Süddeutschlands sowie in den Vorgebirgsregionen der zentralen Mittelgebirge beobachtet. Anhand der erfassten Daten konnten vier Stygoregionen definiert werden, die deutlich unterschiedliche Faunengemeinschaften aufweisen: 1) das "Nördliche Tiefland", 2) die "Zentralen Mittelgebirge", 3) die "Südwestlichen Mittelgebirge" sowie 4) die "Südlichen Mittelgebirge und die Alpen". Die Ergebnisse zeigen die generelle Anwendbarkeit und Eignung der Stygofauna und der mikrobiellen Gemeinschaften für die qualitative Bewertung von Grundwasserökosystemen. Für die biologische Bewertung von Grundwassersystemen sind die faunistische Diversität, Abundanz und die Artenzusammensetzung, die Einteilung in stygobionte (obligate Grundwasserarten) und nicht-sytgobionte Arten sowie die bakterielle Abundanz geeignete Indikatoren für anthropogene Belastungen im Grundwasser. Die Entwicklung eines ökologisch orientierten Erfassungs- und Bewertungssystem für Grundwasserlebensräume ist unabdingbar für ein nachhaltiges Grundwassermanagement, welches den Erhalt unserer Grundwassersysteme und Trinkwasserversorgung gewährleistet. Die Definition von Stygoregionen ist ein entscheidender Schritt für die Entwicklung eines Bewertungs- und Referenzsystems für Grundwasserlebensräume. Die Bewertung des Ökosystemzustands von Grundwassersystemen muss jedoch auf lokaler Skala erfolgen, da die Zusammensetzung der Grundwassergemeinschaften durch die Stärke des lokalen hydrologischen Austauschs mit Oberflächensystemen geprägt ist. Von diesem hängt die Menge an verfügbarer Nahrung, Sauerstoff und konkurrierenden Oberflächenarten im Grundwasser abhängt. Zusätzlich sind Kenntnisse biogeografischer und regionaler Verhältnisse notwendig - als Referenz für das potenzielle Vorkommen von Arten und Abundanzen bestimmter Grundwassersysteme.
  • The conservation of groundwater ecosystems requires an assessment and evaluation scheme that shows the state of the ecosystem. Consequently, faunal and microbial criteria are required for groundwater monitoring, in addition to physico-chemical analyses. To proof the adequacy of the application of groundwater organisms for the biological assessment of groundwater quality, an extensive sampling collection of various groundwater systems was accomplished between 2002 and 2009 in Germany. Key aspects were the examination of the indicator potential of groundwater communities towards surface-groundwater interactions and anthropogenic impacts, as well as the analysis of stygofaunal distribution patterns, as a base and reference for a faunal assessment scheme of groundwater systems. The sampling design considered local, regional, and biogeographic conditions. To test the indicator potential of groundwater organisms on a local and regional scale, groundwater systems in Nordrhein-Westfalen (NRW) and Baden-Württemberg (BW) were examined. The faunal and microbial data from unconsolidated aquifers (Erftgebiet, NRW) show the sensitivity of groundwater organisms against land use effects, e.g. extensive agriculture. Data analyses revealed positive correlations of organic material (estimated amount of detritus, TOC) and nitrate with faunal abundance, species richness, diversity and the proportions of stygoxene species. Moreover, the bacterial abundance and diversity in the groundwater of the Erftgebiet was high compared to oligotrophic groundwater systems, indicating an effect of surface influence due to agricultural land use. The groundwater colonization in the Alb-Donau-Kreis (BW) was analyzed for regional effects (landscape, type of aquifer, hydrogeology) and local effects (comparing single wells). The results show that the fauna reflects the strength of the hydrological exchange on different spatial scales. Furthermore, the fauna reflects the interaction of regional and local conditions. Accordingly, the diversity and abundance of groundwater organisms was influenced by the high connectivity of the karst and unconsolidated alluvial aquifers, the type of land use, covering layers of soil, the age of groundwater, and the sampling depths. In general, faunal and microbial data of the Alb-Donau-Kreis are characteristic for oligotrophic, oligoalimonic groundwaters. The large scale analyses of stygofaunal distribution patterns revealed significant biogeographical differences of the communities. These community patterns of the groundwater fauna do not coincide with existing classification schemes defined for surface landscapes or freshwater systems. The largest differences between faunal surface and subsurface distribution patterns were found between the groundwater of northern and southern Germany and the foothills of the central mountain ranges - all of them regions shaped by the last ice ages. In accordance with the faunal data assessed in groundwater, four different stygoregions were defined that are populated by distinct faunal assemblages. These are 1) the "Northern lowlands", 2) the "Central mountain ranges", 3) the "South-western mountain ranges", and 4) the "Southern mountain ranges and northern alps". The study corroborates that stygofaunal and microbial communities are an adequate tool for the qualitative assessment and monitoring of groundwater ecosystems. The best indicators to detect anthropogenic impacts on groundwater ecosystems are the faunal diversity, abundance, the proportions of stygobitic (obligate groundwater species) and stygoxene species (species not obligate for groundwater), and the bacterial abundance. The development of an ecologically based groundwater assessment and management, is crucial for the conservation of our groundwater ecosystems and thus, healthy drinking water. The defintion of "stygoregions" is an important base for the development of an assessment and reference scheme for groundwater ecosystems. The assessment of the ecological state of groundwater systems must be conducted on local scale, because the strength of the local hydrological influence determines the amount of food and oxygen as well as stygoxene animals within the aquifer, and thus shapes the local groundwater communities. Nevertheless, information of the biogeographic and regional conditions is needed as a reference for the type of species and abundances that potentially can occur in certain groundwater systems.

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Metadaten
Author:Heide Stein
URN:urn:nbn:de:hbz:lan1-8980
Advisor:Hans Jürgen Hahn
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of completion:2013/06/07
Date of publication:2013/06/07
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Fachbereich 7
Date of final exam:2012/07/25
Release Date:2013/06/07
Tag:Biogeografie; Grundwasserfauna; Grundwasserökologie; Stygofauna; Stygoregion
biogeography; biomonitoring; groundwater ecology; groundwater fauna; stygofauna
GND Keyword:Bewertung; Biomonitoring; Grundwasser; Grundwasserfauna; Limnologie; Mesofauna; Ökologie
Number of pages:155
Institutes:Fachbereich 7 / Fachbereich 7
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik
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