Grundwasser ist eine lebenswichtige Ressource und gleichzeitig ein thermisch stabiler Lebensraum mit einer außergewöhnlichen Fauna. Aufgrund der Klimageschichte der letzten ca. 1,8 Millionen Jahre in Mitteleuropa war die Ausgangshypothese, dass die meisten Grundwasserarten an Temperaturen unterhalb von 14 °C angepasst sind und sich Temperaturerhöhungen daher negativ auf die Grundwasserfauna auswirken.
Um die Folgen einer Klimaerwärmung in situ beurteilen zu können, wurden anthropogen erwärmte Grundwässer als Modelle herangezogen. In ersten Teil dieser Arbeit wurden die Crustaceagemeinschaften natürlich temperierter und anthropogen erwärmter Standorte untersucht. Dazu wurden insgesamt 70 Grundwassermessstellen im Oberrheingraben über ein Jahr (2011 bis 2012) sechsmal beprobt. Ergänzend zu diesem synökologischen Ansatz wurde in einem zweiten Teil die Temperaturpräferenz ausgewählter Arten überprüft. Für diese autökologische Betrachtung wurde ein deutschlandweiter Datensatz herangezogen.
Die ausgewählten Untersuchungsgebiete haben sich als geeignete Modelle für die prognostizierten Temperaturerhöhungen herausgestellt. Die Temperatur erwies sich als einer der wichtigsten Parameter für die Crustaceagemeinschaften. Erwärmungen beeinflussen die Zusammensetzung der Gemeinschaften und die Diversität. Dabei zeigte sich, dass es artspezifisch unterschiedliche Temperaturpräferenzen gibt. Einige vermutlich weniger streng stygobionte Arten scheinen höhere Temperaturen zu tolerieren. Der Großteil der stygobionten Grundwasserarten bevorzugt allerdings Temperaturen unterhalb von 14 °C, wobei wenige Arten als „extrem kalt¬steno-therm“ einzustufen sind. Diese Arten wurden an Standorten nachgewiesen, die aufgrund der hydrologischen Verhältnisse relativ kühl sind und der Fauna auch zukünftig als kalte Refugien Schutz bieten könnten. Einer dieser Standorte ist aufgrund seiner Artenvielalt als „Hot Spot“ einzustufen. Die Ergebnisse legen nahe, dass vor allem kaltstenotherme Arten durch eine Klimaerwärmung und anthropogene Wärmeeinträge gefährdet sind.
Die Untersuchung zeigt, dass Grundwasserlebensräume vor Temperaturerhöhungen zu bewahren sind. Lokale anthropogene Wärmeeinträge sollten keine dauerhafte und großflächige Grundwassererwärmung über 14 °C zur Folge haben. Thermische Ein-träge sollten überwacht und bewertet werden. Es wird empfohlen, die bestehenden rechtlichen Rahmenbedingungen den ökologischen Erfordernissen anzupassen.
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.
Von November 2001 bis Dezember 2002 wurden 304 Grundwassermessstellen in Baden-Württemberg je zweimal faunistisch beprobt. Ebenso wurden Wasserproben zur Ermittlung der hydrochemischen Feldparameter entnommen. Dabei wurden 106 Tierarten gefunden, von denen 74 als stygophil oder stygobiont einzustufen sind. Mehr als 20 % der Messstellen waren unbesiedelt. Es wurden im Durchschnitt 2,3 Arten je Messstelle gefunden. Die meisten dieser Arten waren über das gesamte Gebiet verbreitet, nur etwa 20 waren in ihrer Verbreitung regional beschränkt. Vier Arten konnten nicht bestimmt werden und dürfen als bisher unbeschrieben gelten. Bemerkenswert ist der Einzelfund eines Syncariden der Familie Parabathynellidae, bei dem es sich um den Erstnachweis für diese Familie nördlich der Alpen und um eine neue, sehr ursprüngliche Art handelt. Mit zunehmender Tiefe wurde eine Abnahme der Artenzahl, Abundanz, Diversität und Besiedlungsfrequenz festgestellt, wobei diese Veränderungen unterhalb 20 m Tiefe sprunghaft erfolgten, wobei das oberflächennahe Grundwasser am dichtesten und artenreichsten besiedelt war. Die Zahl der tatsächlich vorkommenden, insbesondere der seltenen Arten, konnte vermutlich nicht annähernd erfasst werden. Die Zahl der in einer beliebigen Landschaftseinheit festgestellten Arten korrelierte linear mit der Zahl der untersuchten Messstellen. Auch konnten einige aus anderen Untersuchungen in Baden-Württemberg bekannte Arten nicht wiedergefunden werden. Dies weist darauf hin, dass die Zahl der im Untersuchungsgebiet lebenden Arten stark unterschätzt wurde. Eine starke Unterschätzung der Artenvielfalt im Grundwasser wird deswegen auch für die überwiegende Mehrzahl anderer grundwasserfaunistischer Studien angenommen. Die faunistischen Unterschiede zwischen den einzelnen Messstellen waren erheblich, was auf die große Heterogenität des Lebensraumes Grundwasser zurückzuführen ist. Eine Auswertung der Daten auf der Ebene der Einzelmessstellen und selbst auf der Ebene der Naturräume führte daher zu keinem Ergebnis. Ebenso wenig konnten deshalb Referenzzoozönosen beschrieben werden. Auf der nächst höheren Auswertungsebene, der Ebene der Naturraumgruppen zeigte die Fauna Verteilungsmuster, die sehr gut die geographischen Verhältnisse widerspiegeln, d. h. die faunistischen Ähnlichkeiten zwischen den Naturraumgruppen entsprachen annähernd auch ihrer räumlichen Lage zueinander. Auf dieser Auswertungsebene ergaben sich auch indirekte Zusammenhänge zwischen der Artengemeinschaft und der Landnutzung, der Leiterstruktur und der Nährstoffverfügbarkeit Fast alle Arten, die eine regional beschränkte Verbreitung aufwiesen, kamen im Einzugsgebiet des Rheins vor, waren jedoch in der Regel selten. Nur eine Art, Acanthocyclops gmeineri, wurde exklusiv im Donaueinzugsgebiet, an einer einzelnen Messstelle, gefunden. Ebenso waren auf Gemeinschaftsebene einzugsgebietsbedingte Verbreitungsmuster zu erkennen. Ein Einfluss der ehemaligen, voreiszeitlichen Flussgebietszugehörigkeit auf die Fauna konnte im Gebiet des Hochrheins, des Schwarzwaldes und des voralpinen Moor- und Hügellandes festgestellt werden: Diese Regionen, die heute dem Rheingebiet angehören, waren im Pliozän noch dem Flusseinzugsgebiet der Donau zugeordnet. Eine Reihe von Arten hat in diesen Regionen und im heutigen Donaueinzugsgebiet, also den Donau-Iller-Lechplatten und der Schwäbischen Alb, ihren Verbreitungsschwerpunkt. Wie oben bereits erwähnt, konnten die meisten regional begrenzten Arten im Rheineinzugsgebiet angetroffen werden. Nur eine Art konnte exklusiv für das rezente Donauflussgebiet festgestellt werden. Dieses Muster dürfte damit in Zusammenhang stehen, dass weite Teile des pliozänen oberen Donaueinzugsgebietes an das rezente Rheinsystem angegliedert wurden. So lassen sich drei Gruppen von Grundwassertieren unterscheiden: Arten des pliozänen Rheins, Arten der pliozänen Donau und nacheiszeitliche Wiederbesiedler mit einer landesweiter Verbreitung. Zusammenhänge zwischen der glazialen Vereisung und der rezenten Besiedlung des Grundwassers konnten nur insofern gefunden werden, als die meisten Arten als nacheiszeitliche Wiederbesiedler im gesamten Gebiet auftreten. Nur indirekte Zusammenhänge konnten zwischen der Besiedlung und der Art bzw. dem Chemismus der verschiedenen Grundwasserlandschaften gefunden werden. Als entscheidender Faktor für die Besiedlung erwies sich die hydraulische Leitfähigkeit. Diese überlagerte alle anderen Einflussgrößen, wie naturräumliche Gliederung, Hydrogeologie und Hydrographie. Danach konnten vier Gruppen unterschieden werden, von denen drei " Geringleiter, Lockergesteinsleiter und Kluftleiter - eindeutig voneinander zur trennen waren, während der Karst teilweise starke faunistische Ähnlichkeit mit den Lockergesteinsleitern aufwies. Große Ähnlichkeiten wurden zwischen den verschiedenen Lockergesteinsleitern festgestellt, so dass sie auch unter ökologischen Gesichtspunkten als einheitliche Gruppe aufgefasst werden können. Kluftleiter und Geringleiter waren in ihrer Besiedlung wesentlich heterogener als Karst- und Lockergesteinleiter. Um die Grundwassergemeinschaften bestimmter Landschaftseinheiten zu charakterisieren, erscheint es erforderlich, alle vorhandenen Aquifertypen der untersuchten Einheiten zu erfassen. Dabei sollte der Fokus nicht nur auf den Lockergesteinsleitern, sondern vor allem auch auf den Kluft- und Geringleitern liegen. Zwischen der faunistischen Besiedlung und natürlichen chemischen Stoffen und Parametern - einschließlich des Sauerstoffs " wurden keine direkten, signifikanten Zusammenhänge festgestellt. Korrelationen ergaben sich dagegen mit dem Nahrungsangebot, insbesondere der Menge an Detritus und toten Kleintieren (Aas). Daher ist davon auszugehen, dass das Auftreten von Grundwasserorganismen vor allem durch das Nahrungsangebot und weniger durch den Wasserchemismus beeinflusst wird. Das Nahrungsangebot seinerseits ist eine direkte Folge des hydrologischen Austausches, d. h. der Beeinflussung des Grundwassers durch Oberflächenwasser. Zur zukünftigen ökologischen Klassifizierung von Grundwasserlebensräumen wird ein hierarchisches, dreistufiges System, beginnend bei den geographischen, hydrographischen und naturräumlichen Verhältnissen über den Typ des Grundwasserleiters bis zum hydrologischen Austausch der Einzelstandorte diskutiert. Mit dem hydrologischen Austausch als zusätzliches Gliederungskriterium können die trophischen Verhältnisse mitberücksichtigt werden, die die kleinräumige Verteilung der Arten bestimmen.