First attempts towards an integrative concept for the ecological assessment of groundwater ecosystems

Abstract

Healthy aquifers deliver important ecosystem services, e.g. the purification of infiltrating water and the storage of high-quality water over decades in significant quantities. The functioning of terrestrial and surface aquatic ecosystems directly depends on groundwater and vice versa. Nowadays, legislation has started to consider groundwater not only as a resource but as a living ecosystem. The assessment of ecosystems requires consideration of ecological criteria, which, so far, are not available for groundwater systems. In the framework of a project supported by the German Federal Environment Agency (UBA), a first concept for the ecological assessment of groundwater ecosystems is developed. Steps to be taken are introduced, with a strong focus on microbes as potential bioindicators. These include (1) the typology of groundwater ecosystems, (2) the derivation of natural background values, (3) the identification of potential bioindicators, and (4) the development of an assessment model. First successes and difficulties associated with these challenges, e.g. the lack of simple correlations between abiotic and biotic variables, are discussed on the basis of a data set from a local and regional aquifer in NE Germany. The need for collaboration between ecologists, hydrogeologists and geochemists, as well as the application of modern approaches such as multivariate statistics, is emphasized.

Résumé

Premiers essais vers un concept intégré de l’évaluation écologique des écosystèmes des eaux souterrainesLes aquifères en bonne santé rendent des services importants aux écosystèmes, comme par exemple la purification de l’infiltration des précipitations et de l’eau de surface, ou le stockage durant des décennies d’eau de bonne qualité en quantité significative. Le fonctionnement des écosystèmes terrestres et aquatiques de surface dépend directement des eaux souterraines et vice versa. De nos jours, la règlementation a commence à s’intéresser aux eaux souterraines non seulement en tant que ressource, mais aussi en tant qu’écosystème vivant. L’évaluation des écosystèmes fait appel à des critères écologiques, qui, jusqu’à présent, ne sont pas disponibles pour les systèmes des eaux souterraines. Dans le cadre d’un projet de recherche financé par l’Agence Fédérale Allemande pour l’Environnement (UBA), un premier concept pour une évaluation écologique des écosystèmes d’eau souterraine a été développé. Des étapes à prendre en compte sont introduites, avec un intérêt particulier sur le rôle potentiel des microbes en tant que bio-indicateurs. Elles comprennent (1) la typologie des écosystèmes des eaux souterraines, (2) les valeurs de fond naturel qui en résulte, (3) l’identification de bio-indicateurs potentiels, et (4) le développement d’un modèle d’évaluation. Quelques unes des difficultés posées par ces problèmes, tel que l’absence de corrélation simple entre les variables biotiques et abiotiques, sont discutées sur la base du premier jeu de données provenant d’un aquifère local et régional du NE de l’Allemagne. L’accent est mis sur la nécessité d’une collaboration entre les écologues, les hydrogéologues et les géochimistes ainsi que sur l’utilisation des statistiques multivariées.

Kurzfassung

Ökologisch intakte Grundwasserleiter üben wichtige Ökosystemleistungen aus, z.B. reinigen sie infiltrierendes Wasser und speichern dieses über Jahrzehnte in bester Qualität und in ausreichenden Mengen. Auch die Integrität von terrestrischen Ökosystemen und Oberflächengewässern hängt direkt von Grundwassersystemen ab und vice versa. Mittlerweile haben auch Umweltbehörden und Gesetzgeber erkannt, dass Grundwasser nicht nur eine Ressource, sondern auch Lebensraum ist. Die systemare Beurteilung von Grundwasservorkommen benötigt ökologische Kriterien und biologische Indikatoren, die es bisher in diesem Bereich nicht gibt. Im Rahmen eines Forschungsprojekts, gefördert vom Deutschen Umweltbundesamt (UBA), wurde ein erstes Konzept zur biologischen Beurteilung von Grundwasserökosystemen entwickelt. Es werden die dabei eingeschlagenen Entwicklungsschritte vorgestellt und die Eignung von Mikroorganismen als potentielle Bioindikatoren aufgezeigt. Das Konzept umfasst bisher (1) die Typologisierung von Grundwasserökosystemen, (2) die Ableitung von natürlichen Hintergrundwerten, (3) die Identifizierung von möglichen Bioindikatoren und (4) die Synthese in einem Beurteilungsmodell. Einige der Schwierigkeiten bei dieser Herausforderung, z.B. das Fehlen direkter Zusammenhänge zwischen abiotischen und biotischen Messgrößen, werden auf Basis eines ersten Datensatzes von einem lokalen und regionalen Aquifer im Nordosten Deutschlands diskutiert. Die Notwendigkeit einer interdisziplinären Zusammenarbeit von Ökologen, Hydrogeologen und Geochemikern, als auch der Einsatz moderner Multivariater Statistik wird betont.

Resumen

Primeros intentos hacia un enfoque integrador para la evaluaciónEcológica de ecosistemas en aguas subterráneas. Los acuíferos saludables proveen servicios ecosistémicos importantes, por ejemplo la purificación de aguas de lluvia y de agua superficial infiltradas y el almacenamiento por décadas de cantidades significativas de aguas de muy buena calidad. El funcionamiento de ecosistemas acuáticos superficiales depende directamente de las aguas subterráneas, y viceversa. En la actualidad, la legislación ha comenzado a considerar al agua subterránea no solamente como un recurso sino como un ecosistema vivo. La evaluación de los ecosistemas requiere de la consideración de criterios ecológicos que, al corriente, no se disponen para los sistemas de aguas subterráneas. En el marco de un proyecto de investigación financiado por la Agencia Alemana del Ambiente (UBA), se han desarrollado los primeros conceptos para la evaluación ecológica de los sistemas de aguas subterráneas. Se presentan los pasos a seguir, con un énfasis particular en los microbios como bioindicadores potenciales. Tales pasos incluyen (1) la tipología de los ecosistemas de aguas subterráneas, (2) la derivación de los valores naturales de base, (3) la identificación de bioindicadores potenciales, y (4) el desarrollo de modelos de evaluación. Algunas de las dificultades asociadas con este intento, por ejemplo la ausencia de correlaciones simples entre variables abióticas y bióticas, se discuten sobre la base de los primeros datos locales y regionales de un acuífero en el NE de Alemania. Se enfatiza la necesidad de colaboración entre ecólogos, hidrogeólogos y geoquímicos, así como la aplicación de estadística multivariada.

Resumo

Primeiras tentativas para definir um conceito integrador na avaliação ecológica dos ecossistemas em águas subterrâneas. Os aquíferos salubres desempenham funções importantes nos ecossistemas, i.e. a purificação da água de precipitação e da água superficial que se infiltra e o armazenamento de água de elevada qualidade e em quantidade significativa, durante décadas. O funcionamento dos ecossistemas terrestres e aquáticos depende directamente da água subterrânea e vice-versa. Actualmente, a legislação começou a considerar a água subterrânea não só como um recurso, mas também como um ecossistema vivo. A avaliação dos ecossistemas requer a utilização de critérios ecológicos o que, até agora, não está disponível para sistemas hídricos subterrâneos. No âmbito dum projecto de pesquisa apoiado pela Agência Ambiental da Alemanha Federal (UBA), foi desenvolvido um primeiro conceito para a avaliação ecológica dos ecossistemas em águas subterrâneas. Foram introduzidos passos, a serem considerados, centrados principalmente nos micróbios como bioindicadores potenciais. Estes incluem (1) a tipologia dos ecossistemas em águas subterrâneas, (2) a derivação dos valores de fundo natural, (3) a identificação de potenciais bioindicadores, e (4) o desenvolvimento de um modelo de avaliação. Algumas das dificuldades associadas a estes desafios, i.e., a falta de correlações simples entre variáveis abióticas e bióticas, são discutidas com base no primeiro conjunto de dados de um aquífero local e regional, situado no NE da Alemanha. É enfatizada a necessidade de colaboração entre ecologistas, hidrogeólogos e geoquímicos, assim como a aplicação de estatística multivariada.