Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
In vielen Grundwasserleitern werden die Grenzwerte f\u00fcr Nitrat im Rohwasser der Wasserwerke nur deshalb eingehalten, weil Prozesse der Nitratelimination wie die Denitrifikation vorhanden sind. F\u00fcr die Bewirtschaftung der Grundwasserressourcen sind Erkenntnisse zur Art, Intensit\u00e4t, r\u00e4umlichen Verteilung und Lebensdauer dieser Prozesse von gro\u00dfer Bedeutung. Einige dieser Informationen lie\u00dfen sich bisher nur durch Laboruntersuchungen an Bohrkernen gewinnen. Wegen des hohen Kosten- und Arbeitsaufwands f\u00fcr diese Untersuchungen liegen derartige Ergebnisse nur vereinzelt vor. Es sollte deshalb ein Verfahren entwickelt werden, bei dem \u00fcber eine in situ- Messung der aktuellen Denitrifikationsaktivit\u00e4t eine Absch\u00e4tzung des langfristigen Nitratabbaupotentials und der Menge an reaktivem Material (Gehalt an organischem Kohlenstoff und Sulfid) im Aquifer m\u00f6glich ist.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAn ausgew\u00e4hlten Aquifermesspunkten wurden die Gehalte an organischem Kohlenstoff und Gesamt-S, die in situ – Denitrifikationsaktivit\u00e4t und das langfristige Nitratabbaupotential gemessen. Aus den statistischen Beziehungen zwischen diesen Messgr\u00f6\u00dften wurde ein Prognosemodell zur Absch\u00e4tzung des Nitratabbaupotentials abgeleitet. Die in situ- Messung der aktuellen Denitrifikation erfolgt an Grundwassermessstellen im Gel\u00e4nde mittels 15N-Tracertechnik in Kombination mit Membran-Inlet-Massenspektrometrie (MIMS). Das langfristige Nitratabbaupotential und der Vorrat an reaktiven Stoffen wurden durch Laboruntersuchungen an Bohrproben aus dem Filterbereich der Messstellen bestimmt. Die Methodik wurde auf 24 Messpunkte in zwei pleistoz\u00e4nen Lockergesteinsaquiferen angewandt. Bohrgut und Messstellen im Untersuchungsgebiet Fuhrberg waren bereits vorhanden. Zu Beginn des Projekts erfolgten vom OOWV finanzierte Bohrarbeiten in einem Trinkwassergewinnungsgebiet des OOWV (2. Untersuchungsgebiet) zur Gewinnung von Aquifermaterial aus bis zu 90 m Tiefe und zum Bau von zwei neuen Grundwassermessstellen und zwei Multilevel-Grundwassermesstellen. Anschlie\u00dfend wurde f\u00fcr beide Gebiete durch Laboruntersuchungen am Bohrgut denitrifikationsrelevante Sedimentparameter wie z. B. organischer Kohlenstoffgehalt, Gesamtschwefel, Kaliumpermanganatverbrauch und hei\u00dfwasserl\u00f6slicher Kohlenstoff bestimmt. Anschlie\u00dfend daran wurde an den zugeh\u00f6rigen Grundwassermesstellen durch in situ Messungen mittels 15N Tracertechnik die initiale Denitrifikationsaktivit\u00e4t im Gel\u00e4nde bestimmt. Aus Labormesswerten zum langfristigen Nitratabbaupotential und den denitrifikationsrelevanten Sedimentparametern sowie den in situ Messwerten der initialen Denitrifikationsaktivit\u00e4t im Gel\u00e4nde wurden dann statistische Beziehungen abgeleitet um das langfristige Denitrifikationspotential aus in Situ Messungen und\/oder aus Labormesswerten vorherzusagen. Durch das neue Verfahren werden sich in Zukunft besonders gef\u00e4hrdete Bereiche im Aquifer durch Untersuchung an vorhandenen Grundwassermessstellen identifizieren lassen, was bisher nicht m\u00f6glich war. Dadurch k\u00f6nnen Ma\u00dfnahmen zur langfristigen Sicherung der Wasserqualit\u00e4t, wie z. B. Steuerung der Wasserentnahme oder der Bodennutzung, in Zukunft gezielter und damit effizienter eingesetzt werden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Ziel war es, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem \u00fcber eine in situ – Messung der Denitrifikationsaktivit\u00e4t (initiale Denitrifikationsrate, DI) eine Absch\u00e4tzung des langfristigen Nitratabbaupotentials (Denitrifikati-onspotential, Dpot) und der Menge an reaktivem Material (Gehalt an Corg und Sulfid) im Aquifer m\u00f6glich ist.
\nInsgesamt wurde Material von 41 Aquiferkernproben aus 2 bis 67 m u. GOK aus den Trinkwassereinzugsgebieten Fuhrberg und Gro\u00dfenkneten untersucht und es wurde an insgesamt 192 Versuchsans\u00e4tzen das messbare Denitrifikationspotential bestimmt. Bei nur wenigen der untersuchten Aquiferproben kam es im Versuchsverlauf zur ann\u00e4hernden Ersch\u00f6pfung des Dpot. Beide Aquifere unterscheiden sich hinsichtlich der H\u00f6he ihres Dpot nicht signifikant voneinander. Signifikante Unterschiede bei allen untersuchten Sedimentparametern fanden sich hingegen zwischen dem oberfl\u00e4chennahen, Sulfidfreien und dem tieferen, sulfidischen Aquifermaterial beider Grundwasserleiter. Die untersuchten denitrifikations relevanten Sedimentparameter eignen sich bereits gut, um das zu erwartende Dpot des untersuchten Aquifermaterials qualitativ einzusch\u00e4tzen.
\nMaximal 5% des reaktiven Stoffdepots (RSD) der analysierten Aquiferproben war in der Standardvariante der Inkubationen innerhalb eines Jahres f\u00fcr die Denitrifikation verf\u00fcgbar, bei der kontinuierlich gesch\u00fcttelten Intensivvariante betrug dieser Wert hingegen bis zu 26%. Es ist daher davon auszugehen, dass langfristig deutlich \u00fcber 5% des RSD f\u00fcr die Denitrifikation der untersuchten Aquiferbereiche zur Verf\u00fcgung stehen.
\nVon den analysierten Sedimentparametern zeigten vor allem Corg und Gesamt-S hochsignifikante Korrelationen mit dem Denitrifikationspotential. Allein diese Sedimentparameter konnten die in den Inkubationsversuchen gemessene Varianz des Dpot verschiedener Aquiferproben mit bis zu 90% erkl\u00e4ren. Mittels multiplen linearen Regressionen war es m\u00f6glich, hoch signifikante Transferfunktionen zwischen den untersuchten Sedimentparametern und Dpot zu bilden. Die Regressionskoeffizienten liegen hierbei zwischen 0.86 und 0.98.
\nDIin situ-Messungen wurden an 24 Messpunkten in Fuhrberg und Gro\u00dfenkneten durchgef\u00fchrt. DILabor und DIin situ zeigten nur f\u00fcr Proben bzw. Messstellenbereiche oberhalb der Nitratfront im Aquifer eine gute Korrelation mit Dpot. Wir vermuten, dass f\u00fcr die tieferen Messpunkte\/Aquiferproben, die noch nie mit Nitrat in Kontakt kamen, trotz eines gro\u00dfen RSD die Population der Denitrifizierer einen limitierenden Faktor beim messbaren DILabor als auch DIin situ darstellt.
\nF\u00fcr k\u00fcnftige DIin situ Messungen ist zu pr\u00fcfen, ob durch eine Vorbehandlung der Messstellenbereiche mittels kontinuierlicher Injektion von Nitrathaltigem Grundwasser eine ausreichende Denitrifziererpolulation aufgebaut werden kann, um dann nachfolgend wie in den flacherer Bereichen das RSD anhand von in Situ Messungen zu bestimmen.
\nEs wurde weiterhin ein Membran-Inlet-Massenspektrometer-Messystem (ASCU-MIMS) entwickelt, mit dem 15N-Tracerversuche automatisiert beprobt und gemessen werden k\u00f6nnen. Dadurch wurde die Durchf\u00fchrbarkeit der Methodik vereinfacht, was die Umsetzung in die Praxis erleichtern wird. Weiterhin wurde ein neuer rekursiver mathematischer Ansatz zur Berechnung des Beitrags der Denitrifikation zu einer gegebenen N2-Mischung basierend auf der 15N-Tracertechnik hergeleitet. Dieser Ansatz ist besser f\u00fcr die Auswertung von 15N-Messdaten geeignet als ein bisher verwendeter.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Ergebnisse aus dieses Projektes wurden auf der European Geosciences Union General Assembly 2009 und 2010 in Wien, der Tagung der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft 2009 in Bonn und mehreren Vortr\u00e4gen (Universit\u00e4t G\u00f6ttingen, TU-Dresden vorgestellt. Erste Projektergebnisse wurden in einer Fachzeitschrift ver\u00f6ffentlicht: Eschenbach, W. & Well, R., 2011: Online measurement of denitrification rates in aquifer samples by an approach coupling an automated sampling and calibration unit to a membrane inlet mass spectrometry, Rapid Communications in Mass Spectrometry. Die Ergebnisse die sich aus diesem Projekt ergaben werden im Rahmen einer kumulativen Dissertation ver\u00f6ffentlicht. Weiterhin werden die Arbeitsergebnisse in zwei bis drei weiteren wissenschaftlichen Beitr\u00e4gen in Fachzeitschriften publiziert.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Zusammenfassend ist festzustellen, dass das Ziel der Ermittlung von Transferfunktionen zur Prognose des im Laborversuch gemessenen Denitrifikationspotentials aus Sedimentparametern oder mittels Tracerversuchen im Gel\u00e4nde erf\u00fcllt wurde. Eine grobe Einteilung von Aquiferbereichen nach der minimalen Lebensdauer der Denitrifikation anhand von 15N-Tracerveruchen ist damit grunds\u00e4tzlich m\u00f6glich. Allerdings bestehen weiterhin Unsicherheiten im Hinblick auf die Frage, welcher Anteil des reaktiven Stoffdepots langfristig, d. h. \u00fcber Jahrzehnte hinweg, f\u00fcr die Denitrifikation verf\u00fcgbar ist. Eine weitere Unsicherheit besteht darin, dass in tieferen Aquiferbereichen, die von der Nitratfront bisher nicht erreicht wurden, die bisherige Form der Tracerversuche eine Untersch\u00e4tzung des Denitrifikationspotentials ergibt. Es wurden methodische Fortschritte erzielt, die erstmals eine in-situ-Analytik bei 15N-Tracerversuchen sowie eine verbesserte Datenauswertung erlauben und die somit f\u00fcr die Etablierung der vorgestellten Methode in der Praxis eine wichtige Voraussetzung darstellen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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