Transport und Verbleib von Fäkalkeimen in Fließgewässern nach Mischwasserentlastungen

• Applicants: Professor Dr. Harald Horn; Professor Dr.-Ing. Peter Rutschmann
• Subject Area: Hydrogeology, Hydrology, Limnology, Urban Water Management, Water Chemistry, Integrated Water Resources Management
• Term: from 2010 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 145470713

Im beantragten Forschungsvorhaben soll das Wechselspiel pathogener Keime aus fäkalen Verunreinigungen in der Bulkphase von Fließgewässern mit dem benthischen Biofilm an der Gewässersohle untersucht und die auftretenden Transport- und Umsatzprozesse mit Hilfe eines zu entwickelnden mathematischen Modellsystems beschrieben und quantifiziert werden.Im für die Untersuchungen ausgewählten Gewässersystem der Isar geschieht der Eintrag der Pathogen in der Regel durch Mischwasserentlastungen bei Starkregenereignissen. Als Indikatorkeime werden für das Projekt Fäkalcoliforme und Fäkalstreptokokken gewählt, wie sie auch in der EU-Badegewässer-Richtlinie festgelegt sind. Zur Entwicklung eines mathematischen Modells des Fatums und Transportverhaltens der Keime sind experimentelle Daten zum Verhalten der frei suspendierten und der an Feststoffe des Mischwassers adsorbierten Keime in der fließenden Welle des Gewässers, zum Übergang der Keime aus der Bulkphase in den Biofilm der Gewässersohle, und zum Verbleib und zu den Abbaukinetiken der Keime im Biofilm und die erneute Freisetzung von Keimen aus dem Biofilm zurück in den Wasserkörper experimentell zu erheben. Für die Charakterisierung der Populationsdynamik der Indikatororganismen werden Absterbe- bzw. Wachstumskinetiken bestimmt und hierbei der Einfluss von Strahlungsexposition, Nähr- und Feststoffkonzentration systematisch untersucht. Neben den klassischen Kultivierungstechniken wird die Real-Time-quantitative Polymerase Kettenreaktion (RTQ-PCR) eingesetzt, um auch die nicht kultivierbaren Keime zu erfassen. Eine Lokalisierung der Indikatorkeime in den fluidisierten Aggregaten und im Biofilm soll mit Hilfe der FISH-Technik (Fluorescence In Situ Hybridization) und der konfokalen Laser Scanning Mikroskopie (CLSM) erreicht werden. Untersuchungen der mikrobiologischen Prozesse werden unter Laborbedingungen in Batchversuchen sowohl im Versuchsreaktor als auch in einer kleinen Laborrinne (im Folgenden als Labor-Versuchsrinne bezeichnet) durchgeführt und dienen der Erforschung der Populationsdynamik der Indikatororganismen. Untersuchungen in einer großmaßstäblichen Laborrinne (im Folgenden als Natur-Versuchsrinne bezeichnet) dienen vonwiegend der Erforschung des Sedimentations- und Resuspensionsverhaltens der Mikroorganismen unter naturnahen, hydraulischen Beanspruchungen des originalen Isar- Sohlsubstrats und unter kontrollierten Wachstums-Randbedingungen. Demgegenüber können die in situ vorgesehenen Feldversuche in der Isar nur mehr einer stichprobenweisen Überprüfung dienen, da im Natursystem die Variation der Randbedingungen dem Zufall unterliegt und somit weder die Vergleichbarkeit mit den Laborversuchen noch die erforderliche Variationsbreite der Randbedingungen gewährleistet ist.Parallel zu den physikalischen Untersuchungen soll ein komplexes, dreidimensionales mathematisches Modell entwickelt und validiert werden. Als Grundlage der Entwicklung dient der vorhandene und verifizierte Finite-Volumen Code FAST3D, der nicht nur verschiedenste „State of the art" Ansätze der Turbulenzabbildung sondern auch einen Schwebstoff- und Geschiebemodul zur Simulation komplexer, morphodynamischer Prozesse umfasst. Die im Laborversuch erhobene, sowie in situ abgesicherte mathematische Beschreibung der Populationsdynamik fließt in einen neu zu entwickelnden Modul innerhalb des bestehenden FAST3D Kerns ein, der somit die Hydrodynamik, die Morphodynamik sowie das Fatum und Transportverhalten von Keimen abzubilden vermag. Das für Hochleistungsrechner vektorisierte und parallellsierte Werkzeug stellt somit ein umfassendes Prognoseinstrument dar, welches nach einer umfassenden Validierung an der Natur-Versuchsrinne, für Planung und Durchführung konkreter Feldexperimente, als auch später zum Wasserqualitätsmanagement sowohl der Isar als auch anderer Fließgewässer eingesetzt werden kann. Als Fernziel wird die Kondensation der Labor- und Berechnungsresultate in einfache Gesetzmäßigkeiten angesehen, mit denen das Keimfatum und Keimtransportverhalten beschrieben werden kann.Das zentrale Ziel des beantragten Vorhabens ist die Verknüpfung der Transportprozesse in Fließgewässern auf der einen und der biotischen Prozesse auf der anderen Seite. Die Antragsteller versprechen sich von der Kombination ihrer beiden Disziplinen einen Wissenszugewinn, der sich positiv auf die Publizierbarkeit auswirken wird.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Person: Dr. Minh Duc Bui