Fließgewässer an Ackerflächen senken Schadstoffe im Wasserkreislauf

Wassergräben und kleine Bäche am Rand von landwirtschaftlichen Flächen tragen erheblich dazu bei, die aus der Landwirtschaft stammenden Schadstoffe im Wasser zu verringern. Sie fördern vor allem den Nitrat-Abbau durch Mikroorganismen und haben so einen wichtigen Einfluss auf den Stickstoffgehalt in Flüssen und Seen. Dies hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Tillmann Lüders an der Universität Bayreuth jetzt erstmals nachgewiesen. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass das Bachwasser in einem intensiven Austausch mit dem umgebenden Grundwasser steht, wodurch die Mikroben stimuliert werden. In der Zeitschrift „Water Research“ stellen sie ihre Forschungsergebnisse vor.

Die Studie bietet wichtige Anknüpfungspunkte für eine nachhaltigere Gestaltung von Agrarlandschaften: Die Randgebiete landwirtschaftlich genutzter Flächen mit ihren charakteristischen Wassergräben können möglicherweise gezielt so gestaltet werden, dass Schadstoffbelastungen aus der Landwirtschaft effizienter eliminiert werden. Fließgewässer und auch das Grund- und Trinkwasser werden dadurch besser geschützt.

Die häufig vom Menschen neu geschaffenen oder umgestalteten Wassergräben und Bäche am Rand von Äckern sammeln bis zu 70 Prozent des Wassers in landwirtschaftlichen Einzugsgebieten ein. „Der Anteil, den diese Bäche an der Reinigung des Wassers haben, ist von der Forschung bisher deutlich unterschätzt worden. Man hat diese kleinen Fließgewässer bislang hauptsächlich als reine Drainagen angesehen, die das aus landwirtschaftlichen Nutzflächen stammende Wasser auffangen und abfließen lassen, ohne die Wasserqualität nennenswert zu beeinflussen. Unsere Studie widerlegt nun diese Sichtweise. Wie wir zeigen konnten, ist das Bachbett dieser Gewässer dicht mit Mikroorganismen besiedelt, die Nitrat abbauen: Sie reduzieren umweltschädliches Nitrat zu gasförmigem Stickstoff. Überraschenderweise haben wir dabei lokal grundlegende Unterschiede in der Besiedlung gefunden: In einigen Abschnitten des Bachbetts fanden sich klassische Denitrifizierer, in anderen Abschnitten dagegen noch weniger bekannte, sogenannte chemolithoautotrophe Nitratreduzierer“, erklärt Prof. Dr. Tillmann Lüders, der an der Universität Bayreuth den Lehrstuhl für Ökologische Mikrobiologie innehat.

Die Besiedlung der Wassergräben mit Organismen, die schädliches Nitrat abbauen, steht in engem Zusammenhang mit einem weiteren Phänomen, das die Forscher jetzt in interdisziplinärer Zusammenarbeit aufzeigen konnten: Die kleinen Fließgewässer nehmen nicht nur Wasser aus der Landschaft auf, sondern geben gleichzeitig auch wieder Wasser an das umgebende Grundwasser ab. Umgekehrt kann dieses Grundwasser stromabwärts auch wieder dem Bach zuströmen. Dadurch können auf einer Fließstrecke von wenigen 100 Metern mehr als 80 Prozent des im Graben fließenden Wassers ausgetauscht werden. Alle diese Prozesse sind abhängig von den lokalen Geländeeigenschaften und beeinflussen ihrerseits die Besiedlung des Bachbetts durch nitratreduzierende Mikroorganismen.

„Wir sind hier auf ein bisher unbekanntes Ineinandergreifen von Hydrologie und Mikrobiologie gestoßen, dem die ökologische Landschaftsgestaltung künftig mehr Aufmerksamkeit schenken sollte. Der sehr viel bessere Erkenntnisstand zu größeren Fließgewässern darf nicht zu einer nachrangigen Betrachtung solch kleiner, landwirtschaftlich geprägter Bäche und Gräben führen. Diese haben einen nicht zu unterschätzenden Anteil an den Selbstreinigungskräften eines gesamten Wassereinzugsgebietes“, sagt Zhe Wang, Erstautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Ökologische Mikrobiologie.

Die Forschungsarbeiten, die zu der jetzt in „Water Research“ veröffentlichten Studie geführt haben, wurden exemplarisch in Schwaben, bei Tübingen, durchgeführt. Sie waren eingebettet in den DFG-Sonderforschungsbereich CAMPOS der Universität Tübingen, an dem Prof. Lüders als externer Partner beteiligt war. Sie wurden ebenso begleitet und gefördert durch das Bayreuther Zentrum für Ökologie und Umweltforschung (BayCEER) der Universität Bayreuth. Darüber hinaus waren Forscher des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung UFZ in Leipzig, des Helmholtz-Zentrums München – Deutsches Zentrum für Gesundheit und Umwelt in Neuherberg sowie der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe in Hannover (BGR) an der Studie beteiligt.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Tillmann Lüders
Lehrstuhl für Ökologische Mikrobiologie
Bayreuther Zentrum für Ökologie und Umweltforschung (BayCEER)
Universität Bayreuth
Tel: +49 (0)921 55-5640
E-Mail: tillmann.lueders@uni-bayreuth.de

Originalpublikation:

Zhe Wang, Oscar Jimenez-Fernandez, Karsten Osenbrück, Marc Schwientek, Michael Schloter, Jan H.Fleckenstein, Tillmann Lueders: Streambed microbial communities in the transition zone between groundwater and a first-order stream as impacted by bidirectional water exchange. Water Research (2022), DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2022.118334

http://www.uni-bayreuth.de/