Non-Targeted Metabolomics
Identifikation von Tausenden von Verbindungen pro Probe – nicht nur die erwarteten Schadstoffe.
Wie Extremwetter historische Schadstoffe aus dem Untergrund mobilisieren
Neue Studie erklärt kaum überwachtes Wiederauftreten verbotener Agrochemikalien in Grundwässern
Trockenrisse in einem Ackerboden infolge meteorologischer Dürre
Foto: Robert Lehmann
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Meldung vom: | Verfasser/in: Kai Uwe Totsche
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Verboten ≠ nicht vorhanden
Aerationszonen stellen in Mittelgebirgen Zehner bis (wenige) Hundert Meter mächtige Stoffspeicher dar
Foto: Robert LehmannZwischen den Böden und dem Grundwasser birgt die Aerationszone (Lehmann et al. 2026Externer Link; Lehmann & Totsche, 2020Externer Link) – eine der wichtigsten, aber am wenigsten sichtbaren Teile unserer Ökosysteme – unbekannte Dynamiken. In unserer im Fachjournal Environmental Science: Processes & Impacts erschienenen StudieExterner Link konnten wir eine seit längerem vermutete Hypothese stützen: Klimawandel und extreme Wetter- und Witterungsereignisse wie Dürren oder Starkregen können historische (in der Vergangenheit angewandte) langlebige Schadstoffe freisetzen, die bisher scheinbar eliminiert oder sicher im Bodenspeicher gebunden waren. Infolgedessen treten auch langjährig verbotene Agrarchemikalien wieder im Grundwasser auf. Was bedeutet das für unser Verständnis von Schadstoffdynamik im Untergrund und Sicherheit unserer Grundwasserressourcen?
Grobes Raster – lückenhaftes Verständnis
Unser Grundwasser – vielerorts die wichtigste Trinkwasserressource – wird durch vielfältige anthropogene (organische Verbindungen und vielfältige Eintragspfade gefährdet; also durch vom Menschen eingebrachte Schadstoffe wie Pestizide, Flammschutzmittel oder auch Insektenschutzmittel (z. B. DEET). Bisherige Monitoring-Programme zu Zwecken der Qualitätsüberwachung erfassen Schadstoffgehalte jedoch oft in zu großen zeitlichen Abständen (meist nur wenige Proben pro Jahr) und ohne Berücksichtigung von Wetter- oder Witterungseinflüssen. Dadurch entgehen sowohl Informationen zu kurzfristigen Dynamiken, die oft mit hydrologischen Ereignissen zusammenhängen, als auch zu Langzeitveränderungen historischer Schadstoffe und ihrer Umwandlungs- und Abbauprodukte, die in den Böden, aber auch im Gestein der Aerationszone (Aehnelt & Totsche, 2025Externer Link) über dem Grundwasser langjährig gespeichert sind.
Für ein vollständigeres Bild von Schadstoffdynamiken im Untergrund muss das große Spektrum der organischen Substanz (DOM, Dissolved Organic Matter) als Teil des mobilen Gesamtinventars (total mobile inventory, TMI; Lehmann et al., 2021Externer Link) im Grundwasser genauer unter die Lupe genommen werden. DOM enthält sowohl Nährstoffe für Mikroorganismen als auch Spuren von Schadstoffen; jedoch ist die Zusammensetzung und das Transportverhalten zwischen den Untergrundkompartimenten noch unzureichend verstanden.
Sechs Jahre Präzisionsmonitoring mit „Cutting-edge“-Methoden
Techniker Heiko Minkmar notiert Leitparameter während der Grundwasserprobenahme
Foto: Robert LehmannZur Aufklärung unentdeckter (Schad-)Stoffe und Ihrer Schwankungen im Grundwasser, analysierte unser Team um Prof. Georg Pohnert und Prof. Kai Uwe Totsche mit Dr. Christian Zerfaß, Dr. Robert Lehmann und Dr. Nico Ueberschaar, über sechs Jahre (2014–2021) Grundwasserproben aus dem Hainich Critical Zone Exploratory. Das einzigartige Freilandforschungsexploratorium in Thüringen bietet dabei Zugang zu Grundwasser in geklüftetem Sedimentgestein und unter typischen Landnutzungsmustern (Wald, Weide, Acker; Küsel et al. 2016Externer Link; Kohlhepp et al. 2017Externer Link).
Dr. Nico Ueberschar präpariert eine Filtrations- und Extraktionseinheit
Foto: Tobias WagnerUnser Ansatz: Mithilfe von hochauflösender Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie (LC-MS) und Non-target-Screening untersuchten wir das Metabolom im Grundwasser – also das gesamte Spektrum an organischen Verbindungen und Ihren Metaboliten, d. h. Stoffwechselprodukten.
Fünf Funde & eine überraschende Erkenntnis
Fünf Leitsubstanzen konnten wir mittels Non-Taget-Ansatz identifizieren, die besonders aussagekräftige Einblicke in die Stofftransportdynamiken und Grundwasserqualitätsschwankungen liefern:
Substanzen die im LC-MS-Screening identifiziert und als Umwelttracer genutzt wurden
Foto: Kai TotscheDas zeitweilige (Wieder-)Auftreten der fünf Substanzen liefert folgenden Erkenntnisgewinn:
- Remobilisierung: Sowohl aktuelle als auch historische Schadstoffe (wie das seit 20 Jahren verbotene Simazin), die bisher als sicher im Bodenspeicher gebunden galten, können aus einem größeren „Aerationszonenspeicher“ freigesetzt und mit der Grundwasserneubildung in das Grundwasser transportiert werden und erscheinen selbst in tieferen grundwasserführenden Schichten (in dieser Studie bis 90 m).
- Schneller Transport: Mit der Grundwasserneubildung können freigesetzte Schadstoffe durch Kluftsysteme und Porenräume im Gestein innerhalb von Stunden bis Tagen aus Boden- und Aerationszonenspeichern in tiefe Grundwasserleiter gelangen.
- Die Aerationszone als "Speicher": Im variabel gesättigten Bereich lagern Schadstoffe oft Jahrzehnte und werden zum Beispiel bei extremen Grundwasserstandsschwankungen aus dem Aerationszonenspeicher freigesetzt und in das Grundwasser eingetragen – bzw. zu Brunnen befördert.
- Heterogene Muster: Grundwassermessstellen zeigen nicht das gleiche Muster – die hydraulische Vernetzung des Untergrunds durch Poren und Klüfte, variable Strömungsmuster (Lehmann & Totsche, 2020) sowie Größe und Landnutzung im Beitragsgebiet (ober- und unterirdisches Einzugsgebiet) sind entscheidend für das Auftreten der Schadstoffe an einer Grundwassermessstelle (oder Trinkwasserbrunnen).
Was bedeutet das für uns?
Drift von Bodenmaterial mit dem Wind vergrößert die Eintragsflächen in den Untergrund
Foto: Robert LehmannFür die Wissenschaft: Unsere Studie trägt zu verbessertem Verständnis der Grundwasserneubildungsdynamiken mit Konsequenzen für Grundwasserqualitätsentwicklungen bei. Grundwasser und beteiligte Untergrundkompartimente – d. h. nicht nur die Böden, sondern insbesondere auch die bisher wenig untersuchten Aerationszonen (Link zu Blog) – stellen ein hochdynamisches System dar. Besonders die geklüfteten Gesteine samt heterogener Poren- und Reaktionsräume der Aerationszone müssen hinsichtlich Schadstoffrückhalt und Freisetzung in den Grundwasserraum intensiver untersucht werden.
Bestätigung einer Hypothese: Die Ergebnisse bestätigen die bereits vermutete Mobilisierung historischer Schadstoffe durch klimawandelbedingte Extremereignisse aus dem Aerationszonenspeicher (nicht synonym zu „Bodenspeicher“) und deren Eintrag in das Grundwasser.
DOM als Indikator: Die zeitlich hochauflösende Überwachung der Zusammensetzung der mobilen (gelösten) organischen Substanz kann als Frühwarnsystem für Qualitätsbeeinträchtigungen infolge Schadstoffmobilisierungsphasen dienen.
Klimawandel als Auslöser: Häufigere Dürren und Starkregenereignisse (wie 2018 und 2021) könnten die Mobilisierung historischer Schadstoffe aus dem Untergrundspeicher begünstigen und deren (Wieder-)Auftreten im Grundwasser zur Folge haben.
Aus unserer Studie ergeben sich folgende Konsequenzen:
- Ausweitung des Monitorings: Hochfrequente, langfristige Studien in verschiedenen geologischen und hydrogeologischen Regionen sind notwendig, um den Eintrag von Schadstoffen in das Grundwasser besser zu verstehen und die Grundwasserqualitätsentwicklung unter den Bedingungen des Klimawandels zu beurteilen.
- Globale Übertragbarkeit: Die Bedeutung des Aerationszonenspeichers für Rückhalt und Freisetzung (bzw. Wiederauftreten) von Schadstoffen ist auf andere Regionen mit mächtigen Aerationszonen übertragbar, wie z. B. (Mittel-)Gebirgsregionen weltweit, sowie auch aride Gebiete, wenn klimawandelbedingte (Extrem-)Wetterlagen zu Strömungs- und Mobilisierungsereignisse führen.
- Integration in Modelle: Unsere Daten können dabei helfen, Vorhersagemodelle für den Schadstofftransport ins Grundwasser zu verbessern – besonders unter Klimawandelbedingungen.
Originalpublikation: Zerfaß, C., Lehmann, R., Ueberschaar, N., Totsche, K. U., & Pohnert, G. (2026). „Multiyear LC-MS profiles of groundwater DOM reveal re-emergence of recent and legacy contaminants in a fractured-rock catchment“. Environmental Science: Processes & Impacts. https://doi.org/10.1039/d6em00228eExterner Link
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Kai Uwe Totsche, Prof. Dr.
Professur Hydrogeologie
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Verwandte Publikationen/ausgewählte weiterführende Arbeiten:
Lehmann, K., Arachchige, D. E., Lehmann, R., Overholt, W. A., Küsel, K., & Totsche, K. U. (2026). Neglected but pivotal: Complex matter dynamics in the aeration zone contribute to groundwater quality evolution. Water Research 291(1), 125287. https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.125287Externer Link
Aehnelt, M., Totsche, K.U. (2025). From rock to soil: Saprock genesis and its legacy for subsoil structure and micro-aggregate formation during pedogenesis. Geoderma 459, 117356, https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2025.117356Externer Link
Schroeter, S.A., Orme, A.M., Lehmann, K., Lehmann, R., Chaudhari, N.M., Küsel, K., Wang, H., Hildebrandt, A., Totsche, K.U., Trumbore, S., Gleixner, G. (2025). Hydroclimatic extremes threaten groundwater quality and stability. Nat. Commun. 16, 720. https://doi.org/10.1038/s41467-025-55890-2Externer Link
Zerfaß, C., Lehmann, R., Ueberschaar, N., Sanchez-Arcos, C., Totsche, K. U. and Pohnert G. (2022). Groundwater metabolome responds to recharge in fractured sedimentary strata. Water Research 223: 118998. doi: https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118998Externer Link
Lehmann, K., Lehmann, R., Totsche, K. U. (2021) Event-driven dynamics of the total mobile inventory in undisturbed soil account for significant fluxes of particulate organic carbon. Sci. Total Environ. 756, 143774, doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.143774Externer Link
Lehmann, R., Totsche, K. U. (2020) Multi-directional flow dynamics shape groundwater quality in sloping bedrock strata. Journal of Hydrology 580, 124291. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.124291Externer Link
Kohlhepp B., Lehmann R., Seeber P., Küsel K., Trumbore S. E., Totsche K. U. (2017) Aquifer configuration and geostructural links control the groundwater quality in thin-bedded carbonate-siliciclastic alternations of the Hainich CZE, central Germany. Hydrol. Earth Syst. Sci. 21, 6091-6116. https://doi.org/10.5194/hess-21-6091-2017Externer Link
Zhang L., Lehmann K., Totsche K. U., Lueders T. (2018) Selective successional transport of bacterial populations from rooted agricultural topsoil to deeper layers upon extreme precipitation events. Soil Biology and Biochemistry 124: 168-178. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.06.012Externer Link