Die Grundwasserfauna schützen

Das Grundwasser ist eine der bedeutendsten natürlichen Ressourcen der Schweiz. Es deckt ungefähr 80% des Schweizer Trinkwasserbedarfs. Gleichzeitig ist es ein Ökosystem mit einer bislang oft unterschätzten, einzigartigen biologischen Vielfalt. Die dort vorkommenden Organismen reichen von winzigen Mikroben bis zu zentimetergrossen Krebstieren. Die sogenannten «stygobionten» Arten, also echte Grundwasserbewohner, sind in besonderem Masse an die Bedingungen ihres Lebensraums angepasst: permanente Dunkelheit, geringe Nährstoffverfügbarkeit und stabile, niedrige Temperaturen. Typischerweise fehlen ihnen Augen und Farbpigmente, während andere morphologische und physiologische Merkmale wie sehr dünne, lange Körper oder ein verlangsamter Stoffwechsel das Leben unter diesen Bedingungen fördern.

Die biologischen Lebensgemeinschaften tragen zum Funktionieren der Grundwasserökosysteme bei. Eingetragenes organisches Material wird im Grundwasser zunächst von Mikroben abgebaut und anschliessend über das Nahrungsnetz (d. h. höhere Organismen wie Flohkrebse) weiterverwertet. Dadurch sind die Grundwasserorganismen in die natürlichen Reinigungsprozesse des Grundwassers involviert und leisten einen wichtigen Beitrag zum Erhalt der Wasserqualität [1, 2]. Der Schutz dieser Lebensgemeinschaften ist deshalb nicht nur aus Sicht des Naturschutzes, sondern auch für die Trinkwasserversorgung von Bedeutung.

Das Gewässerschutzgesetz (GSchG) schreibt in Art. 1 vor, dass Gewässer vor nachteiligen Einwirkungen zu schützen und als natürliche Lebensräume für einheimische Organismen zu erhalten sind. Entsprechend fordert die Gewässerschutzverordnung (GSchV) in Bezug auf Grundwasserökosysteme, dass «die Biozönose unterirdischer Gewässer naturnah und standortgerecht» sowie «typisch für nicht oder nur schwach belastete Gewässer» sein soll. Trotz dieser klaren rechtlichen Vorgaben im Sinn des Vorsorgeprinzips wird die Grundwasserfauna in der Schweiz bis heute nicht als integraler Bestandteil der ökologischen Infrastruktur betrachtet. Es fehlen standardisierte Monitoringprogramme, zudem wird die Biodiversität in den chemisch-physikalischen Monitoringprogrammen des Bundes und der Kantone bisher nicht berücksichtigt. Ausserdem gibt es keine Rote Listen für Grundwasserorganismengruppen, obwohl sich dieses rechtliche Instrument für den Schutz und das ­Management in Oberflächengewässern bewährt und etabliert hat.

Mit zunehmenden Belastungen des Grundwassers durch Verunreinigungen, Klimawandel, geothermische Nutzung und steigendem Wasserbedarf wächst die Dringlichkeit, Grundwasserökosysteme besser zu verstehen und Veränderungen frühzeitig zu erkennen. So forderte eine kürzlich eingereichte Interpellation eine Stellungnahme des Bundesrates zu Erfassung und Schutz der Biodiversität im Grundwasser (24.4555 Candan: «Biodiversität auch im Grundwasser erfassen»). Eine Umsetzung der gesetzlichen Grundlage und bessere Überwachung der Grundwasserbiodiversität wird auch seitens der Forschung gefordert [3].

Innovative Methoden zur systematischen Erfassung 

Das begrenzte Wissen über die Zusammensetzung und Verbreitung der Grundwasserfauna ist vor allem auf den erschwerten Zugang zu unterirdischen Lebensräumen zurückzuführen. In den letzten Jahren wurden jedoch geeignete Methoden für systematische und repräsentative Beprobungen der Biodiversität im Grundwasser getestet [4, 5]. Im Rahmen von umfangreichen Studien konnten zudem für einzelne Gruppen, speziell der Flohkrebse, detaillierte und repräsentative Daten für die Diversität und Verbreitung von Grundwasserorganismen etabliert werden [6–10]. Ein «Fenster» ins Grundwasser bieten dabei die Trinkwasserversorger, die über die ganze Schweiz verteilt Tausende von Quell- und Grundwasserfassungen betreiben.

Vorkommen von Grundwasserfauna dank «Citizen Science»

In Zusammenarbeit mit mehreren Hundert lokalen Wasserversorgern wurde im Rahmen des Projektes AmphiWell¹ erstmals ein schweizweit systematischer Datensatz zur Grundwasserfauna erhoben. Die Beprobungen wurden im Rahmen eines partizipativen Ansatzes (Citizen Science) direkt durch die Wasserversorger durchgeführt. Dabei wurden Filternetze an den Einlaufrohren von Quellwasserfassungen montiert und nach einigen Tagen die eingeschwemmten Organismen daraus gesammelt. Zusätzlich wurden die Überlaufbecken mit kleinen Aquarienkeschern abgefischt. Insgesamt konnten so über 900 Quellwasserfassungen auf Grundwassertiere beprobt werden [6, 9, 11]. Die Bestimmung der Tiere erfolgte im Labor an der Eawag mittels morphologischer und teilweise molekularer Methoden und förderte eine erstaunliche Vielfalt zutage. Nebst den stygobionten, also echten Grundwasserorganismen, wurde auch eine Vielfalt weiterer Organismen identifiziert. Letztere können über die Oberfläche und den Boden eingeschwemmt werden, oder sie besiedeln die Übergangszone zwischen Grundwasser und Oberflächengewässer aktiv (wie zum Beispiel die Larven gewisser Stein- und Eintagsfliegen). Die gefundene Vielfalt an unter- als auch oberirdischen Wirbellosen zeigt auf, dass insbesondere das oberflächennahe Grundwasser eng vernetzt ist mit Ökosystemen an der Oberfläche [12].

¹ Website des Projekts «AmphiWell»

Ein besonderer Fokus unserer Studien lag auf den Grundwasserflohkrebsen (s. Titelbild), die in Mitteleuropa zu den grössten und häufigsten Grundwasserorganismen gehören. Im Durchschnitt konnten Grundwasserflohkrebse schweizweit in rund jeder dritten Quellwasserfassung nachgewiesen werden [6] (Fig. 1). Es handelte sich dabei aber nicht nur um eine einzige Art, sondern um 27 verschiedene Arten von Grundwasserflohkrebsen. Einige dieser Arten wurden sogar neu für die Wissenschaft entdeckt und werden in den nächsten Jahren formell wissenschaftlich beschrieben. Anhand der vielen Proben aus Quellwasserfassungen, aber auch dank Funden aus Höhlen, wird die aktuelle Anzahl Grundwasserflohkrebsarten in der Schweiz auf mindestens 40 geschätzt. Die Zahl der bekannten Grundwasserflohkrebse hat sich in den letzten Jahren also praktisch verdoppelt (vgl. [13]). Dies zeigt einerseits die bisherigen Wissenslücken auf, widerspiegelt aber auch die aktive Forschung und Erkenntnisse der letzten Jahre.

Umwelt-DNA als Instrumentn für Biomonitoring

Neben dem direkten Sammeln von Organismen in den Wasserfassungen wurde in den letzten Jahren die Umwelt-DNA(e­DNA)-Technologie für ein mögliches Biomonitoring von Grundwasserökosystemen weiterentwickelt. Dabei werden winzige Mengen an Erbgut (DNA) direkt aus Wasserproben isoliert und analysiert [14]. Die Probenahme ist immer eine Wasserprobe (wenige Liter), analog der Probenahme für chemisch-physikalische Parameter. Erst die anschliessende molekularbiologische Auswertung im Labor unterscheidet sich methodisch: Die DNA wird aus dem Filter extrahiert, gereinigt und vervielfältigt. Anschliessend wird die DNA sequenziert, sodass die Abfolge der Basen entschlüsselt wird und die Sequenzen Organismen zugewiesen werden können. Mit der eDNA-Technologie kann die Vielfalt und Zusammensetzung der gesamten Lebensgemeinschaften erfasst werden – sowohl die der Mikro- als auch der Makroorganismen.

Bei Oberflächengewässern wird die eDNA-Technologie zunehmend in Biomonitoringprogramme integriert [15]. Aktuelle Forschungsresultate aus der Schweiz und international zeigen, dass diese Methode auch ein grosses Potenzial für das Bio­monitoring von Grundwasserlebensräumen bietet [4, 5, 16].

Charakteristische Verbreitungsmuster 

Dank des ersten schweizweiten Datensatzes konnte gezeigt werden, dass hierzulande praktisch überall Grundwasserflohkrebse gefunden werden: von den Talsohlen im Mittelland, zu Karsthöhlen im Jura und sogar bis in alpine Grundwasservorkommen auf über 2000 Meter über Meer. Eine hohe Artenvielfalt gibt es insbesondere in Karstgebieten im Jura und entlang der Voralpen, aber zum Beispiel auch im Grundwasser im Einzugsgebiet der Töss [6, 11]. Dabei spielt unter anderem die historische Vergletscherung eine Rolle, deren Einfluss auch heute noch in den Verbreitungsmustern und Artzusammensetzungen der Grundwasser-flohkrebse erkennbar ist. Während einige Arten die letzte Eiszeit nur ausserhalb von vergletscherten Gebieten oder in eisfreien Refugien wie dem Einzugsgebiet der Töss überdauert haben, gibt es Arten, die innerhalb der vergletscherten Gebiete überlebt haben [7, 17]. Genetische Daten deuten darauf hin, dass insbesondere Karstsysteme wichtige Rückzugsräume für Grundwasserorganismen waren [17], was auch in Anbetracht von aktuellen Temperaturveränderungen durch Klimawandel und geothermischer Nutzung relevant ist.

Hoher Anteil endemischer Arten

Während Grundwasserflohkrebse in praktisch allen Schweizer Regionen vorkommen, haben die einzelnen Arten sehr spezifische Verbreitungsgebiete [6]. Zum Beispiel wurde die Art Niphargus auerbachi hauptsächlich im Mittelland gefunden, während die Art Niphargus luchoffmanni vor allem in Karstgebieten entlang der Schweizer Alpennordflanke vorkommt. Diese beiden Arten wurden regelmässig in der jeweiligen biogeografischen Region gefunden. Es gibt aber viele Arten mit nur einzelnen oder sehr kleinräumigen Vorkommen. Dies zeigen die Daten aus den über 900 beprobten Quellwasserfassungen: Rund die Hälfte aller gefundenen Grundwasserflohkrebsarten wurden nur in ein bis drei Wasserfassungen gefunden [6](Fig. 2). Diese Arten haben in der Schweiz also kleine oder räumlich fragmentierte Verbreitungsgebiete, was auch aus anderen Weltregionen (z. B. Balkan) bekannt ist. Zudem gibt es Arten, die vor allem in Höhlen gefunden werden, beispielsweise im Muotathal, Kanton Schwyz. So wurden vor wenigen Jahren im Hölloch-Höhlensystem Grundwasserflohkrebse entdeckt, die sonst nirgends auf der Welt gefunden wurden [18]. Aktuell wird geschätzt, dass rund ein Dutzend der Grundwasserflohkrebs­arten (teil)endemisch sind, das heisst, nur oder praktisch nur in der Schweiz vorkommen. Dies entspräche rund einem Viertel aller aktuell als endemisch eingestuften Tier- und Pflanzenarten (BAFU 2017). Insbesondere bei diesen Arten trägt die Schweiz eine hohe Verantwortung für deren Erhalt und Förderung.

Im Vergleich zu den Flohkrebsen sind viele andere Grundwasserorganismengruppen in der Schweiz weniger gut untersucht. Bisherige Forschungsresultate deuten aber auf ähnliche Verbreitungsmuster hin. Zum Beispiel wurde bei grundwasserlebenden Ringelwürmern der Gattung Haplotaxis früher angenommen, dass es sich um eine einzelne, weitverbreitete Art handelt. Genetische Daten zeigen jedoch, dass es in der Schweiz mindestens sechs verschiedene Arten gibt, mit teils kleinräumigen Vorkommen [19]. Ein weiteres Beispiel sind die Ruderfusskrebse, wovon zwei Arten, Stygepactophanes jurassicus und Gelyella monardi, in der Schweiz als endemisch gelten und auf der Liste der national prioritären Arten geführt sind. Diese Beispiele zeigen auf, dass die Grundwasserfauna vielfältig und regional unterschiedlich ist. Es ist deshalb wichtig, diese Vielfalt angemessen zu schützen.

Landnutzung beeinflusst die Grundwasserfauna im Mittelland 

Die Nationale Grundwasserbeobachtung NAQUA zeigt, dass die Grundwasserqualität in der Schweiz, insbesondere in den inten­siv landwirtschaftlich genutzten Gebieten des Mittellands, durch Nitrat und Rückstande von Pflanzenschutzmitteln belastet ist [20]. Erste Studien haben nun untersucht, wie die Landnutzung mit dem Vorkommen und der Diversität der Grundwasserorganismen korreliert.

Eine Studie mit Umwelt-DNA-Proben aus 20 Brunnenstuben im Tösstal ergab, dass sich die Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften im Grundwasser deutlich unterscheidet, abhängig von der Landnutzung rund um die Quellwasserfassung [5]. Dabei war die Zusammensetzung der mikrobiellen Vielfalt in Wasserfassungen im intensiv genutzten Landwirtschaftsgebiet deutlich anders und über fünfmal tiefer als in Fassungen in bewaldeten Gebieten (Fig. 3).