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Erde+Umwelt

Feldbäche senken Nitratbelastung im Grundwasser

FEldbach
Messungen an einem Ackergraben. © Tillmann Lüders

Reinigende Wirkung: Wassergräben und kleine Bäche am Rand von Äckern tragen erheblich dazu bei, die aus der Landwirtschaft stammenden Schadstoffe im Wasser zu verringern, wie eine Studie bestätigt. Die in den kleinen Fließgewässern siedelnden Bakterien fördern vor allem den Nitratabbau und nehmen so einen bedeutenden Einfluss auf den Stickstoffgehalt in Flüssen und Seen, aber auch im Grundwasser.

In der intensiven Landwirtschaft werden meist große Mengen von nitrathaltigen Düngemitteln eingesetzt. Zwar verbrauchen die Pflanzen einen Teil des Nitrats, doch was im Boden nicht durch Denitrifikation abgebaut wird, gelangt ungefiltert ins Grundwasser und die umliegenden Flüsse und Seen. Damit belastet das überschüssige Nitrat auch das Trinkwasser.

Reinigende Wirkung unterschätzt

Neben der ausgebrachten Menge an Dünger, den Pflanzen und der Bodenbeschaffenheit könnte es aber noch weitere Faktoren geben, die beeinflussen, wie viel Nitrat ins Grundwasser übergeht. Einer davon sind die kleinen Wassergräben und Bäche am Rande mancher Äcker. Denn sie funktionieren als Drainagen, die das Wasser aus landwirtschaftlichen Nutzflächen auffangen und wieder abfließen lassen, und stellen damit ein Bindeglied im Wasserkreislauf dar. Diese vom Menschen geschaffenen oder umgestalteten Gewässer am Rand von Äckern können bis zu 70 Prozent des Wassers in landwirtschaftlichen Einzugsgebieten einsammeln.

Aber wie beeinflussen die ackernahen Fließgewässer dabei die Wasserqualität? Dieser Frage haben sich Zhe Wang von der Universität Bayreuth und seine Kollegen gewidmet. Sie analysierten dafür das Sediment eines Baches, der von landwirtschaftlichen Nutzflächen beeinflusst wird. Zum einen bestimmten sie die Stellen, an denen Wasser zu- oder abfloss, und zum anderen identifizierten sie, welche charakteristischen Bakterienarten sich im Bachbett ansammelten und wie dies den Nitratgehalt beeinflusste.

Nitrat-„Fresser“ verschiedener Arten gefunden

Die Bilanz der kleinen Gewässer fiel dabei um einiges positiver aus als gedacht: „Der Anteil, den diese Bäche an der Reinigung des Wassers haben, ist von der Forschung bisher deutlich unterschätzt worden“, berichtet Seniorautor Tillmann Lüders von der Universität Bayreuth. Wie sich zeigte, besiedeln Unmengen von nitratabbauenden Mikroorganismen das Bachbett der untersuchten Gewässer. „Sie reduzieren umweltschädliches Nitrat zu gasförmigem Stickstoff“, erklärt Lüders. Bei diesem auch als Nitratatmung bezeichneten Prozess kann der Stickstoff in die Atmosphäre entweichen und belastet nicht weiter die Böden und das Grundwasser. Bakterien, die auf diese klassische Art und Weise Nitrat abbauen, fanden sich laut dem Forschungsteam vor allem an den Stellen im Bach, wo überwiegend Wasser in die Umgebung abfloss.

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An den Zuflussstellen fanden die Forschenden hingegen vermehrt sogenannte chemolithoautotrophe Nitratabbauer der Gattungen Sulfuricurvum und Thiobacillus. Diese Schwefelbakterien sind in der Lage, Schwefel zu oxidieren. Dafür verwenden sie jedoch nicht wie sonst üblich Luftsauerstoff, sondern das Nitrat. Auch bei dieser Reaktion wird demnach Nitrat abgebaut und kann als molekularer Stickstoff in die Atmosphäre entweichen. Die in den Feldbächen gefundene Artenvielfalt an nitratabbauenden Bakterien weist daraufhin, dass die Zirkulationsprozesse von Stickstoff und Schwefel im Bachbett eines landwirtschaftlich genutzten Fließgewässers gekoppelt sind, vermuten Wang und seine Kollegen. Fest steht jedenfalls: Die Bäche in der Nähe von Ackerflächen spielen eine wichtige Rolle beim Abbau des überschüssigen Nitrats.

Auch das Grundwasser profitiert

Die Besiedlung der Wassergräben mit Organismen, die schädliches Nitrat abbauen, steht in engem Zusammenhang mit einem weiteren Phänomen, das die Forschenden jetzt aufzeigen konnten: Die kleinen Fließgewässer nehmen nicht nur Wasser aus der Landschaft auf, sondern geben gleichzeitig auch wieder Wasser an das umgebende Grundwasser ab. Umgekehrt kann dieses Grundwasser stromabwärts auch wieder dem Bach zuströmen. Dadurch können auf einer Fließstrecke von wenigen 100 Metern mehr als 80 Prozent des im Graben fließenden Wassers ausgetauscht werden. „Diese Wassergräben und Bäche haben einen nicht zu unterschätzenden Anteil an den Selbstreinigungskräften eines gesamten Wassereinzugsgebietes“, berichtet Wang.

Die reinigende Wirkung der nitratabbauenden Mikroorganismen beschränkt sich also nicht nur auf die Gewässer direkt neben den Ackerflächen, sondern beeinflusst auch das Grundwasser und angrenzende Flüsse. Die Untersuchungen bieten somit wichtige Anknüpfungspunkte für eine nachhaltigere Gestaltung von Agrarlandschaften: In Zukunft können die Randgebiete von landwirtschaftlich genutzten Flächen gezielt so gestaltet werden, dass die Nitratbelastung aus der Landwirtschaft effizienter reduziert werden kann. Dies würde den angrenzenden Fließgewässern und auch dem Grund- und Trinkwasser zu Gute kommen. „Wir sind hier auf ein bisher unbekanntes Ineinandergreifen von Hydrologie und Mikrobiologie gestoßen, dem die ökologische Landschaftsgestaltung künftig mehr Aufmerksamkeit schenken sollte“, sagt Wang.

Quelle: Universität Bayreuth; Fachartikel: Water Research, doi: 10.1016/j.watres.2022.118334

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