Assessing biological stability in a porous groundwater aquifer of a riverbank filtration system: combining traditional cultivation-based and emerging cultivation-independent in situ and predictive methods

Abstract

Riverbank filtration systems are important drinking water resources. Aquifers of riverbank filtration systems are subjected to considerable dynamics concerning the quantity and quality of the infiltrating water. The microbiological quality is mainly jeopardized by faecal contamination of the main river. Besides, water quality can be impacted by growth of natural water-borne bacteria due to the input of nutrients resulting in the proliferation of opportunistic pathogens, impairment of odour and taste or bio-corrosion. The occurrence of such phenomena indicates a biological instability. For highly dynamic riverbank filtration systems, it is thus of high relevance to assess the biological stability of the groundwater resource. In the present study, we applied a holistic, two-tiered concept of in situ and predictive methods to assess the biostability of the aquifer in a bank filtration system of the Danube River. We applied traditional cultivation-based and selected cultivation-independent methods—including cultivation on yeast extract and R2A agar, determination of total cell counts via fluorescence microscopy and flow cytometry, leucine incorporation and 16S rRNA gene amplicon sequencing—at critical control points along the infiltration path from the river to the abstraction well. The concentration of organic nutrients and the hydrological variability were the main controlling factors driving the biological stability of the groundwater body. Wells situated at greater distance displayed significantly lower dissolved organic carbon concentrations and a dampened hydrological influence in comparison to the well situated next to the river. Apparent discrepancies between the methods used indicated a different indicator function of the cultivation-based and cultivation-independent approaches. For complex systems, we thus recommend this new holistic concept for assessing biostability by combining in situ as well as predictive parameters and using cultivation-based and cultivation-independent methods.

Flussuferfiltrationssysteme sind wichtige Trinkwasserressourcen. Die Aquifere von Uferfiltrationssystemen sind einer erheblichen Dynamik in Bezug auf die Menge und Qualität des infiltrierenden Wassers unterworfen. Die mikrobiologische Qualität wird hauptsächlich durch die fäkale Verunreinigung des Hauptflusses gefährdet. Darüber hinaus kann die Wasserqualität durch das Wachstum natürlicher wasserbürtiger Bakterien aufgrund von Nährstoffeinträgen beeinträchtigt werden, was zur Vermehrung opportunistischer Krankheitserreger, zur Beeinträchtigung von Geruch und Geschmack oder zur Biokorrosion führen kann. Das Auftreten solcher Phänomene deutet auf eine biologische Instabilität hin. Für hochdynamische Uferfiltrationssysteme ist es daher von großer Bedeutung, die biologische Stabilität der Grundwasserressource zu bewerten. In der vorliegenden Studie wurde ein ganzheitliches, zweistufiges Konzept aus In-situ- und Vorhersage-Methoden angewandt, um die biologische Stabilität des Aquifers in einem Uferfiltrationssystem der Donau zu bewerten. Wir wendeten traditionelle kultivierungsbasierte und ausgewählte kultivierungsunabhängige Methoden – einschließlich Kultivierung auf Hefeextrakt und R2A-Agar, Bestimmung der Gesamtzellzahl mittels Fluoreszenzmikroskopie und Durchflusszytometrie, Leucin-Inkorporation und 16S rRNA-Genamplikon-Sequenzierung – an kritischen Kontrollpunkten entlang des Infiltrationspfads vom Fluss zum Entnahmebrunnen an. Die Konzentration der organischen Nährstoffe und die hydrologische Variabilität waren die wichtigsten Einflussfaktoren für die biologische Stabilität des Grundwasserkörpers. Brunnen in größerer Entfernung wiesen deutlich niedrigere Konzentrationen an gelöstem organischem Kohlenstoff und einen gedämpften hydrologischen Einfluss im Vergleich zum Brunnen in Flussnähe auf. Offensichtliche Diskrepanzen zwischen den verwendeten Methoden deuten auf eine unterschiedliche Indikatorfunktion der kultivierungsbasierten und kultivierungsunabhängigen Ansätze hin. Für komplexe Systeme empfehlen wir daher dieses neue ganzheitliche Konzept zur Bewertung der Biostabilität durch die Kombination von In-situ- und Vorhersage-Parametern und die Verwendung kultivierungsbasierter und kultivierungsunabhängiger Methoden.