Quantitative assessment of faecal pollution sources in alpine spring catchments

Abstract

Die Beeinträchtigung der Wasserqualität durch fäkale Verunreinigung kann eine wesentliche Gefährdung der Gesundheit darstellen, da viele infektiöse Krankheiten mit menschlichen und tierischen Fäkalien in Verbindung gebracht werden können. Aus der Notwendigkeit heraus fäkale Verschmutzungen nachzuweisen, wurden bislang Standardfäkalindikatoren eingesetzt (z.B. E. coli). Diese Methoden erlauben jedoch in der Regel keine Identifizierung des Ursprungs der fäkalen Kontamination. Das Wissen über die Herkunft und Ursachen fäkaler Einträge ist jedoch von zunehmender Bedeutung um zielgerichtetes Umweltmanagement durchzuführen und deren Effizienz evaluieren zu können.<br />Darüber hinaus ist für die gesundheitsbasierende Risikoanalyse im Zuge der Bewertung der Wasserqualität die Möglichkeit der Gefährdungscharakterisierung zunehmend von Bedeutung. Daher wurden in den letzten Jahren Verfahren entwickelt, die über diese wichtige Information Aufschluss geben können. Diese Methoden werden unter dem Begriff "Microbial Source Tracking" (MST) zusammengefasst.<br />Alpine Karstwässer stellen wichtig Rohwasserressourcen für die globale und nationale Wasserversorgung dar. Der gezielte Schutz des Einzugsgebietes kommt daher, neben der optimierten Wassergewinnung und der darauf abgestimmten Wasseraufbereitung (Desinfektion), eine überaus wichtige Bedeutung zu. In der vorliegenden Studie wurde erstmals das Konzept der Erhebung quantitativer Kontaminationspotentiale fäkaler Verursacher im Einzugsgebiet etabliert. Im speziellen wurde für zwei unterschiedliche Modelleinzugsgebiete alpiner Karstquellen (LKAS6 und LKAS8) Kontaminationspotentiale rechentechnisch abgeschätzt. Die quantitative Beurteilung der Kontaminationspotentiale basierte dabei auf publizierten Daten aber auch auf diversen durch Expertenmeinung getroffene Annahmen. In diesem Zusammenhang sollte unter anderem erwähnt werden, dass die Reduktion humaner Fäkalkontaminationspotentiale durch moderne Abwasserentsorgungstechnik mitberücksichtigt wurde. Aus dieser quantitativen Potentialabschätzung wurde alsdann eine Hypothese über die Bedeutung als fäkale Eintrags- und Verschmutzungsquelle für das jeweilige Einzugs- und Quellgebiet erstellt. Diese Hypothese wurde einer zielgerichteten Überprüfung (Testung) anhand ausgewählter MST Verfahren unterzogen. Für diesen Zweck wurden ein humanspezifischer Nachweis (BacH) und ein wiederkäuerspezifischer Nachweis (BacR) auf Wasserproben aus den beiden Quellen über einen Zeitraum von 16 Monaten angewandt.<br />Neben den erwähnten genetischen Markern wurden klassische Fäkalindikatoren und vor allem hydrologische und physikalisch-chemische Basisparameter erhoben, die eine grundlegende Charakterisierung der hydrologischen Bedingungen sowie der Wasserqualität ermöglichten. Ein innovatives nested ("ineinander-geschachteltes") Probenentnahmedesign wurde angewandt, welches drei verschiedene Zeitraster umfasste: (i) eine regelmäßige Probenentnahme alle drei Wochen, (ii) eine Probenentnahme zweimal wöchentlich während der Sommermonate 2007 und 2008 und (iii) die gezielte Beprobung eines isolierten Hochwasserereignisses. Das Ergebnis der Untersuchung ergab, dass in beiden untersuchten Quellen Wiederkäuer die dominierenden Fäkalverursacher für die Untersuchungsperiode darstellten. Diese Aussage wurde insbesondere dadurch bekräftigt, dass der wiederkäuerspezifische Marker in beiden Quellen signifikant höhere Konzentrationen aufwies als der humanspezifische Marker. Die Mediane der Konzentrationen der BacR Marker waren in LKAS6 200- bis 13700-fach, in LKAS8 500- bis 5000-fach höher als diejenigen der BacH Marker. Der BacR Parameter wies zudem im multiparametrisch-statistischen Vergleich hohe bis höchste Korrelationen zu E. coli und Enterokokken auf. Darüber hinaus, zeigten Regressionanalysen, dass in LKAS6 bis zu 90% und in LKAS8 bis zu 86% der Variabilität in den E. coli Daten durch die Variabilität in den BacR Daten erklärt werden kann. Diese integrative Bewertung der Resultate erlaubte die Wiederkäuerbestände als dominierende Fäkalverursacher in beiden Quelleinzugsgebieten für die Untersuchungsperiode zu identifizieren. Abschließend kann festgehalten werden, dass die vorliegende Studie die generelle Anwendbarkeit des neu eingeführten integrativen Konzeptes der Bestimmung fäkaler Kontaminationspotentiale im Einzugsgebiet, die davon abgeleitete Hypothesenbildung, als auch die zielgerichtete Überprüfung dieser - mittels zielgerichteter MST Methoden - dargelegt werden konnte.<br />Dieser integrative Ansatz kann darüber hinaus wesentliche Grundlagen zur Gefährdungs- und Risikoanalyse in Bezug zur nutzungsorientierten Bewertung der Wasserqualität aus komplexen alpinen Einzugsgebieten liefern.<br />

Faecal contamination of groundwater resources constitutes a major public health concern because many pathogens are related to human and animal excreta. Since the effort of faecal contamination monitoring by traditional faecal indicators fails to discriminate the sources of faecal influence, microbial source tracking (MST) methods have been developed in the last decades to allow the identification of specific faecal source groups. Water from alpine and mountainous karst aquifers plays an important role in global and national water supply. Due to the occasional vulnerability of karstic aquifers to surface influence, one key factor for assuring good raw water quality is the concept of catchment protection. In the present study, 'quantitative pollution source mapping' was established and applied on the catchment areas of the two alpine karstic springs LKAS6 and LKAS8. The quantitative assessment of the potentials for faecal pollution from different sources was based on literature data as well as assumptions and considerations from expert knowledge. Among others, the reduction of human faecal influence by modern sanitary facilities was taken into account. The assessment resulted in the hypothesis that ruminant faecal sources are dominating the spring catchments by at least two orders of magnitude compared to human sources.<br />To verify this hypothesis, quantitative MST (QMST) based on the detection of source-specific Bacteroidetes 16S rRNA gene markers by qPCR was applied on water samples from the investigated springs. A human-specific assay (BacH) and a ruminant-specific assay (BacR) were implemented. In addition, several standard faecal indicators as well as copiotrophic indicators, hydrological and physicochemical parameters were investigated during a period of 16 months. Sampling complied with a nested sampling design with three different time schemes: (i) a three-weekly basic monitoring, (ii) a high-frequency monitoring during summer months with samples taken twice a week and (iii) an investigation of a late summer flood event with sampling up to several times a day.<br />The results of the QMST investigation revealed the dominance of the ruminant faecal source group. Ruminant-specific BacR marker concentrations in spring water were consistently higher than human-specific BacH marker concentrations. Based on median concentrations, BacR was found in approximately 200 to 13700-fold higher concentrations than BacH in LKAS6 and in approx. 500 to 5000-fold higher concentrations in LKAS8, respectively. Furthermore multi-parametric statistical analysis by Spearman correlation coefficient proved high correlations for BacR with the standard faecal indicators in both springs throughout all sampling tiers, as opposed to BacH. Additionally a regression analysis between the faecal indicator E. coli and the BacR marker during flood events in LKAS6 and LKAS8 suggests that 90% and 86%, respectively, of the variation in the E. coli data is explicable by the BacR values. In respect to these results, the ruminant faecal source group in this catchment, i.e. wildlife and livestock is considered to be sources of the main faecal influence in both springs. This dominance of the ruminant sources indicates, that health hazards in these catchments could be mainly expected from zoonoses which should be taken into consideration in risk assessment and management strategies.<br />The low concentrations of BacH support the conclusion that state-of-the-art sanitary facilities installed in the catchment areas significantly reduce human faecal potentials and the resulting hazards.<br />In general it can be stated that the concept of 'quantitative pollution source mapping' proved to be highly applicable for MST investigations as a decision tool for study design and the choice of methods.