Viren in der Uferfiltration – In-situ-Monitoring und Risikomanagement unter spezieller Berücksichtigung des Einflusses von Extremwetterereignissen (VIRUMEX)
Projektdurchführung
Technische Universität Berlin
Fachgebiet Hydrogeologie
Institut für Angewandte Geowissenschaften
Ernst-Reuter-Platz 1
10587 Berlin
Zielsetzung
Ausgangssituation und Defizite:
Die Uferfiltration (RBF) versorgt in Deutschland, darunter Berlin und Leipzig, Millionen Menschen mit Trinkwasser. Trotz ihrer natürlichen Barrierewirkung ist sie anfällig für den Eintrag von Krankheitserregern aus Oberflächengewässern–insbesondere bei Hochwasser, Starkregen oder Dürre. Humane pathogene Viren wie Adenoviren wurden in Flüssen und vereinzelt im Grundwasser nachgewiesen.
Die geltenden Regelwerke (TrinkwV; EU-Trinkwasserrichtlinie) konzentrieren sich vor allem auf bakterielle Indikatoren und somatische Coliphagen, nicht jedoch auf humane pathogene Viren. Diese Indikatoren bilden Transport und Persistenz solcher Viren nicht zuverlässig ab, da sich deren Verhalten um Größenordnungen unterscheiden kann.
Zentrale Defizite sind:
• Keine routinemäßige Überwachung humanpathogener Viren in Grundwasserfassungen.
• Keine feldtauglichen Nachweissysteme; PCR ist laborgebunden und für ereignisbasiertes Monitoring ungeeignet.
• Unzureichendes Verständnis des Virustransports unter transienten hydraulischen Bedingungen.
• Regulatorische Anforderungen an risikobasierte Überwachung ohne konkrete Umsetzungshilfen.
Der Klimawandel verstärkt hydrologische Extreme und erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Virusdurchbruchs in Förderbrunnen mit entsprechenden Gesundheitsrisiken in RBF.
Umweltrelevante Problemstellung und Projektziel:
Das Projekt adressiert die schnelle Detektion von Virusbelastungen in Trinkwasserressourcen infolge hochwasserbedingter Infiltration und abwasserbürtiger Einträge. Unsicherheiten bei Adsorption, Kotransport und Inaktivierung in heterogenen Untergrundsystemen erschweren eine verlässliche Risikoabschätzung. Wasserversorger müssen daher risikobasierte Water-Safety-Pläne mit geeigneten Monitoringstrategien umsetzen.
Ziel ist die Etablierung eines wissenschaftlich fundierten, feldanwendbaren Risikoabschätzungsrahmens für humane pathogene Viren in Uferfiltrationssystemen mit Fokus auf Extremereignisse.
Das Projekt wird:
• Einen feldtauglichen Immunfluoreszenz-Chip zur Vor-Ort-Detektion von Adenoviren entwickeln.
• Die Leistungsfähigkeit unter Realbedingungen validieren und mit PCR vergleichen.
• Modelle zum Virustransport für Extremszenarien verbessern.
• Ein adaptives, ereignisbasiertes Monitoringkonzept mit hydraulischen Triggern entwickeln.
• Praxisleitlinien und ein risikomatrixbasiertes Entscheidungstool im Einklang mit EU und WHO.
VIRUMEX stärkt damit den klimaresilienten Schutz von Trinkwasserressourcen.
Arbeitsschritte
Das VIRUMEX-Projekt umfasst drei verknüpfte Arbeitspakete (WP2–WP4), die Sensorentwicklung, Feldvalidierung, Transportmodellierung und adaptives Monitoring integrieren. Die Schritte sind sequenziell und iterativ, sodass Rückkopplungen zwischen Labor, Feld und Modellierung gesichert sind. Der Ansatz orientiert sich an EU-Trinkwasserrichtlinie und WHO-Water-Safety-Plan.
WP2–Feldtauglicher Virus-Messchip
Ziel: Entwicklung eines schnellen Immunfluoreszenz-Chips zum Nachweis von Adenoviren im Grundwasser.
Antikörper-funktionalisierte 3D-Sepharose-Beads gegen das Hexonprotein werden in eine Einweg-Durchflusskartusche integriert. Automatisierte Fluoreszenzmikroskopie erzeugt quantitative Light Intensity Units (Abb. 1). Die Validierung umfasst Verdünnungsreihen, Durchflussversuche und Matrix-Tests. Im Gegensatz zur qPCR ermöglicht der Chip eine autonome Brunneninstallation und Vor-Ort-Nachweise innerhalb weniger Stunden und überführt die Virusdiagnostik in das Grundwassermonitoring.
Eine batteriebetriebene Peristaltikpumpe und eine optimierte Durchflusszelle gewährleisten stabile Bedingungen (Abb. 2). Tests bei variablen Flussraten quantifizieren Zusammenhänge zwischen Viruskonzentration, Expositionszeit und Flussrate und liefern kalibrierte Nachweisgrenzen für die Modellierung.
WP3–Feldvalidierung unter Extrembedingungen
Ziel: Validierung unter realen hydrologischen Bedingungen und Quantifizierung des Virustransports.
An einem abwasserbeeinflussten RBF-Standort (Erpe) werden Brunnen auf Adenoviren (mit PCR-Referenz), Hydrochemie und hydraulische Gradienten überwacht (Abb. 3). Ereignisgesteuerte Beprobungen bei Starkregen und Hochwasser erfassen transienten Transport. Der Chip wird in Brunnen und Oberflächenwasser eingesetzt und mit PCR verglichen.
WP4–Ereignisbasiertes Monitoring und Risikotoolbox
Ziel: Entwicklung eines modellbasierten Risikorahmens.
Ein bestehendes 1D-Virustransportmodell wird erweitert, um Adsorption/Desorption, Inaktivierung und variable Gradienten abzubilden sowie Unsicherheiten zu berücksichtigen. So wird eine probabilistische Risikoabschätzung ermöglicht.
Adaptive Beprobungsintervalle werden anhand von Pegelstand, Viruslast und Brunnenentfernung definiert. Eine Risikomatrix liefert Schwellenwerte und Monitoringempfehlungen für Water-Safety-Pläne.
Durch die Integration von Sensorinnovationen, Felddaten und Modellierung geht VIRUMEX über die derzeitige Praxis hinaus und unterstützt die Reduzierung viraler Risiken in Trinkwassersystemen.