Grundwasserqualität verschlechtert sich

Klimawandel und Verstädterung verändern globalen organischen Kohlenstoff

Mehr als 100.000 Krebsfälle im Laufe einer Lebenszeit in den Vereinigten Staaten können auf Verunreinigungen im Trinkwasser zurückgeführt werden. Britische, australische und schwedische Forscher haben nun die Qualität der weltweit größten Süßwasserquelle, des Grundwassers untersucht und ihr Ergebnis in Nature Communications publiziert. Parameter für die Untersuchung war die Konzentration des gelösten organischen Kohlenstoffs (dissolved organic carbon – DOC), die vor allem mit Desinfektionsprodukten (DBPs) und Arsen in Verbindung steht.

Abstract

Klimawandel und Verstädterung können den Druck auf die Grundwasservorräte erhöhen, aber es ist wenig darüber bekannt, wie sich die Grundwasserqualität verändern wird. Das Wissenschaftlerteam verwandte eine globale Synthese (n = 9.404), um die Einflussfaktoren des gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) aufzudecken, der eine wichtige Komponente der Wasserchemie und Substrat für Mikroorganismen ist, die biogeochemische Reaktionen steuern. Gelöste anorganische Chemikalien, das lokale Klima und die Landnutzung erklären ca. 31% der beobachteten Variabilität des DOC im Grundwasser, während das Alter des Grundwasserleiters (Acquifers) zusätzliche 16% erklärt. Die Forscher stellten eine 19%ige Zunahme des DOC in Verbindung mit der städtischen Flächenversiegelung fest. Sie prognostizieren eine bedeutende Zunahme des Grundwasser-DOCs infolge von Änderungen der Niederschläge und der Temperatur in vom Grundwasser abhängigen Schlüsselgebieten. Der Klimawandel und die Umwandlung natürlicher oder landwirtschaftlicher Gebiete in städtische Gebiete werden die Grundwasserqualität verringern und die Kosten für die Wasseraufbereitung erhöhen, was die bereits bestehenden Engpässe der Grundwasserressourcen noch verschärfen wird.

Einführung

Das Grundwasser ist die weltweit größte Süßwasserquelle. Dessen Trinkbarkeit hängt stark von der Konzentration des gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) ab, da er die Wasserchemie und die mikrobiellen Vorkommen verändern kann. Mehr als 100.000 Krebsfälle im Laufe der Lebenszeit in den Vereinigten Staaten (USA) können auf Verunreinigungen im Trinkwasser zurückgeführt werden. Ein großer Teil des identifizierten Risikos ist mit  Desinfektionsprodukten (DBPs) und Arsen verbunden, die beide stark mit DOC in Verbindung stehen. Die Chlorierung und Ozonierung zur Wasseraufbereitung kann aufgrund des Vorhandenseins organischer Stoffe zu schädlichen Nebenprodukten wie 3-Chlor-4-Dichlormethyl-5-hydroxy-2(5 H)-Furanon, bromierter Essigsäure, Trihalogenmethanen (THMe), Formaldehyd und halogenierten Essigsäuren führen. Diese Nebenprodukte können genotoxisch oder karzinogen sein oder zu Tumoren führen. Da die meisten Gesundheitsauswirkungen, die durch gelöste organische Substanzen (DOM) verursacht werden, mit der Bildung von Nebenprodukten zusammenhängen und von den Konzentrationen anderer wasserchemischer Parameter abhängen, regeln die Weltgesundheitsorganisation und viele Länder, darunter Australien, die Konzentrationen von organischem Gesamtkohlenstoff (TOC) oder DOC im Trinkwasser nicht direkt. Länder wie die USA, Kanada, Frankreich, China und Südafrika weisen auf mögliche Bedenken bezüglich der THM-Bildung, der gesundheitlichen Auswirkungen und der ästhetischen Qualität im breiten DOC-Bereich von 0-5 mg/l während der Behandlung hin.

Zusätzlich zu den gesundheitlichen und ästhetischen Auswirkungen kann das Vorhandensein von DOC im Wasser nach der Ozonierung zu Membranverschmutzung (Fouling)  führen. Um Fouling zu vermeiden und DOC zu entfernen, wird bei Wasser mit DOC-Konzentrationen >1 mg/l ein biologischer Filtrationsschritt zur Wasseraufbereitung empfohlen. Dies deutet darauf hin, dass selbst ein relativ geringer DOC-Anstieg in rohem Grundwasser nicht nur Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Wasserästhetik, sondern auch auf die Einfachheit und die Kosten der Wasseraufbereitung haben kann. Hohe DOC-Konzentrationen können auch die Mobilität anderer Schadstoffe im Grundwasser, einschließlich Schwermetalle und Nährstoffe, durch eine komplexe Verbindung mit gelöster oder kolloidaler organischer Substanz (OM) erhöhen, die durch die Verstädterung und das globale Bevölkerungswachstum verursacht wird und die Kontamination erhöhen kann. Jüngste Forschungen haben sich darauf konzentriert, wie Klimawandel und Urbanisierung die Grundwassermengen verändern werden, doch das Verständnis der Auswirkungen von Klimawandel und Urbanisierung auf die Qualität der Süßwasserressourcen ist ebenfalls wichtig. Die Herstellung von Verbindungen zwischen Klimawandel und Grundwasserqualität erfordert große Datensätze, um aussagekräftige globale Schätzungen zu erstellen.

In ihrer Untersuchung quantifizieren die Forscher die Veränderung des DOC des Grundwassers im Zusammenhang mit dem Klimawandel und der städtischen Flächenbedeckung. Sie präsentieren den bisher größten globalen Datensatz von 9.404 veröffentlichten und unveröffentlichten DOC-Konzentrationen im Grundwasser, der aus Aquiferen in 32 Ländern auf 6 Kontinenten gewonnen wurde. Sie bieten eine Analyse der globalen Grundwasser-DOC-Konzentrationen und quantifizieren ihre wichtigsten Einflussfaktoren. Insbesondere segen sie Veränderungen der DOC-Konzentrationen voraus aufgrund der prognostizierten Änderungen von Temperatur und Niederschlag sowie potenzielle Erhöhungen als Folge der städtischen Flächennutzung.

->Quellen:

  • Liza K. McDonough, Isaac R. Santos, Martin S. Andersen, Denis M. O’Carroll, Helen Rutlidge, Karina Meredith, Phetdala Oudone, John Bridgeman, Daren C. Gooddy, James P. R. Sorensen, Dan J. Lapworth, Alan M. MacDonald, Jade Ward & Andy Baker: Changes in global groundwater organic carbon driven by climate change and urbanization – in: Nature Communications 11, Article number: 1279 (2020), 09 March 2020
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