Unsichtbare Schadstoffe unter unseren Städten aufspüren
Das Grundwasser ist für die Gesundheit und den Wohlstand der Menschen lebenswichtig und bildet 30 % des Süßwassers auf unserem Planeten(öffnet in neuem Fenster). Es wird in Grundwasserleitern gespeichert und bewegt sich durch diese hindurch. In diesen unterirdischen Gesteins- oder Sedimentschichten lagert eine wichtige Wasserquelle für den häuslichen, industriellen oder landwirtschaftlichen Gebrauch. Da die Grundwasserressourcen in städtischen Umgebungen durch Klimaschwankungen, Umweltbelastungen und Übernutzung immer stärker unter Druck geraten, ist die Qualität der Grundwasserneubildung wichtiger denn je. Im Rahmen des innerhalb der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierten Projekts SPONGE wird erforscht, wie sich Mikroplastik und zunehmend besorgniserregende Schadstoffe im Abflusswasser auf die Grundwasserleiter auswirken. Das Ziel bestand darin, festzustellen, ob das gespeicherte Abflusswasser genutzt werden könnte, um die Resilienz der Aquifere gegenüber Grundwasserknappheit zu verbessern.
Über traditionelle Verfahren hinausgehen, um schädliche Partikel besser nachzuweisen
Die erste Arbeitsgebiet von SPONGE war die Überwachung des Grundwassers in elf Brunnen über einen Zeitraum von 17 Monaten in der Zeit von 2023 bis 2025 sowie die Entnahme von Proben aus potenziellen Verunreinigungsquellen, einschließlich Abflusswasser und Abwasser. Diese Proben wurden dann auf Mikroplastik, Antibiotika, Pharmazeutika und chemische Spurenstoffe untersucht. Zum Zweck dieser Analyse führte das Team von SPONGE einen neuartigen Multi-Tracer-Ansatz ein, der isotopische, chemische und pharmazeutische Daten integriert, um potenzielle Kontaminationspfade nachzuverfolgen. Die Ergebnisse zeigten, dass Abwasserleckagen die Hauptursache sind, und lieferten neue Erkenntnisse über die Prozesse, die ihrer Entstehung zugrunde liegen. Schon früh stieß das Team an die Grenzen der vorhandenen Detektions- und Nachweisverfahren. Projektmitarbeiter Stefano Viaroli erläutert: „Wir stellten fest, dass mit den gängigen Protokollen und spektroskopischen Verfahren keine Partikel unter 20 µm erkennbar und zu charakterisieren sind. Um dieses Problem zu lösen, erprobten wir einen innovativen Ansatz, bei dem die Rasterkraftmikroskopie zum Einsatz kam, um Mikroplastik im Nanometerbereich nachzuweisen.“ Auch wenn die Methode aufgrund der hohen Kosten und der Schwierigkeiten beim Nachweis von Polymertypen noch nicht allgemein anwendbar ist, erschienen die Ergebnisse sehr vielversprechend und eröffneten neue Möglichkeiten zur Charakterisierung von Mikroplastik und dessen Beziehung zu anderen aquatischen Schadstoffen.
Fortgeschrittene numerische Modellierung für Grundwasserbewertungen
Die realen Bedingungen im Grundwasser lassen sich im Labor nur schwer nachbilden, wodurch die Genauigkeit beeinträchtigt wird. Mithilfe von 3D-Simulationen modellierte das Team von SPONGE den Transport von Mikroplastik in porösen Medien unter verschiedenen hydraulischen Gradienten, wodurch die Vorhersagegenauigkeit verbessert und reale Bedingungen nachgebildet wurden. Das numerische Modell wurde in einer Stadtsimulation der Grundwasserneubildung in Shenzhen, einer chinesischen Metropole in der Provinz Guangdong, getestet und zeigte, dass flache Grundwasserleiter in solchen Gebieten eine hohe Schadstoffbelastung aufweisen. „Große städtische Abflusssammelsysteme haben sich als potenzielle Quellen erheblicher Verunreinigungen erwiesen, da sie von der Kanalisation überflutet werden können“, erklärt Viaroli. „Diese Ergebnisse haben unser Verständnis der Grundwasserqualität und der wichtigsten Ursachen für die Verschmutzung im Untergrund verbessert“, fügt er hinzu.
Ein interkulturelles Unterfangen
Das SPONGE-Konsortium führte viele seiner Aktivitäten in Zusammenarbeit mit der Southern University of Science and Technology – SUSTech(öffnet in neuem Fenster) in Shenzhen durch. Die Partnereinrichtung stellte Einrichtungen, Instrumente für die Grundwasserüberwachung und Probenahme sowie Analyseausrüstung für chemische und pharmazeutische Analysen zur Verfügung. „Die Möglichkeit, in einem völlig anderen Umfeld als in Europa zu forschen, war sehr anregend und ermöglichte es uns, einen neuen Forschungsansatz zu beobachten und mit Kolleginnen und Kollegen auf allen Ebenen Ideen und Erfahrungen auszutauschen“, berichtet Viaroli. „Eine der wichtigsten Errungenschaften innerhalb von SPONGE war die Verfeinerung der Probenahme- und Vorbehandlungsmethoden für das Grundwasser, die dazu beigetragen hat, die Anfälligkeit der Grundwasserleiter gegenüber Mikroplastikverunreinigungen besser zu definieren“, endet Viaroli. Damit ebnete die Arbeit von SPONGE den Weg zur sicheren Anreicherung der städtischen Grundwasserleiter und folglich zu gesünderen und resilienteren aquatischen Ökosystemen.