Rostbeschichtete Bewässerungsrohre deuten auf Nitratmangel im Grundwasser hin

„Oh, um diesen Bereich müssen wir uns keine Sorgen machen.

Auf den ersten Blick war die Anekdote klar genug. Troy Gilmore wusste, dass das fragliche „Rot“ Rost war. Die Pivots waren unterdessen Center Pivots: erhöhte Bewässerungsleitungen, die sich um einen zentralen Punkt drehen, um Wasser in kreisförmigen Mustern zu verteilen, die am deutlichsten aus einer Höhe von 30.000 Fuß zu erkennen sind, wo bewässerte Pflanzen massiven grünen Karos ähneln, die das pastorale Schachbrett des Maisgürtels bevölkern.

Was die Sorge angeht? Das wäre Nitrat, eine aus Düngemitteln gewonnene Verbindung, die ins Grundwasser gelangen und, wenn sie über bestimmte Konzentrationen über das Trinkwasser aufgenommen werden, eine Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen.

Dennoch fand der außerordentliche Professor an der Universität von Nebraska-Lincoln den beiläufigen Kommentar etwas überraschend. Trotz seines umfassenden Hydrologie-Know-hows hatte Gilmore noch nie von einem Zusammenhang zwischen rostigen Zapfen und Grundwassernitrat gehört. Aber Marty Stange, Umweltbeauftragter bei Hastings Utilities, war gerade dabei, eine Umkehrosmose-Wasseraufbereitungsanlage zu erklären, die kürzlich in Betrieb genommen worden war.

Also hörte Gilmore weiter zu und verdrängte die Neugier in seinem Kopf. Schließlich erwähnte er es seiner damaligen Doktorandenberaterin Mikaela Cherry, die an ihrer Promotion an der School of Natural Resources arbeitete.

„Wir sagen: ‚Weißt du was? Wir sollten uns das wirklich ansehen‘“, erinnerte sich Cherry, die im Dezember 2021 an der Nebraska U promoviert wurde. „‚Ist das eine Sache? Wo es rote Pivots gibt, gibt es kein Nitrat ?'“

Jetzt, nachdem sie Dutzende von Stunden lang Satellitenbilder betrachtet, Datenkalkulationen erstellt und die Landstraßen im Süden von Nebraska befahren haben, haben Cherry und ihre Kollegen guten Grund zu der Annahme, dass Stange Recht hatte. Ihren Untersuchungen zufolge scheinen rote Zentrumszapfen – insbesondere solche, die vollständig mit rotbraunem Eisen beschichtet sind, das aus den darunter liegenden Grundwasserleitern hochgepumpt wird – auf ein Fehlen von Nitrat in dem Grundwasser hinzuweisen, das durch seine Rohre fließt.

Was nicht heißen soll, dass das benachbarte Grundwasser aufgrund fehlender Eisenpatina zwangsläufig nitratreich ist.

„Ein nicht rostiger Zapfen sagt nicht wirklich etwas aus“, sagte Cherry, jetzt Physikwissenschaftlerin am Nebraska Water Science Center des US Geological Survey. „Aber das Vorhandensein dieser rostigen Zapfen ist ein Hinweis darauf, dass es nicht (viel) Nitrat im Grundwasser gibt.“

„Sie sind nicht zufällig“

Als Gilmore Cherry von Stanges Anekdote erzählte, war ihr erster Instinkt, hinauszugehen und sie durch eine gute altmodische Feldforschung zu testen. Leider hatte die Anfangsphase der COVID-19-Pandemie das meiste davon vorübergehend zum Erliegen gebracht. Aber Cherry hatte einen Gedanken: Vielleicht könnte sie zumindest Drehpunkte in der Mitte identifizieren – und sogar erkennen, wie viel ihrer Oberfläche mit Rost bedeckt war –, indem sie Google Earth durchstöberte. Mit ein wenig Übung erkannte sie, dass es machbar war, und klassifizierte schließlich 700 der Zapfen in eine von drei Kategorien: Vollrost, Teilrost oder Nichtrost.

„Ich habe lange Zeit damit verbracht, auf Google Earth auf Pivots zu starren“, sagte sie lachend. „Und dann, sobald wir wieder ein bisschen mehr Feldforschung betreiben konnten, gingen wir hinaus und überprüften noch einmal, ob die Drehpunkte, die ich auf Google Earth als rostig ansah, auch im wirklichen Leben rostig waren.“

Cherry steuerte drei bewässerungsintensive Countys im Bundesstaat Cornhusker an, die auf dem massiven Ogallala-Aquifer sitzen – Adams, Kearney und Phelps –, wo sie seit ihrer Ankunft in Nebraska im Jahr 2018 bereits geforscht hatte. Bevor sie sich auf den Weg machte, wählte Cherry 277 Drehpunkte zur Inspektion aus.

Sie wäre nicht allein. Die Pandemie hatte auch den Tourismus zum Grand Canyon gestört, wo Mikaelas Schwester Bethany als Parkwächterin arbeitete. Mit etwas neu gewonnener Zeit beschloss Bethany, für den dreitägigen Forschungs-Roadtrip eine Schrotflinte zu fahren. Gemeinsam spürten die Schwestern die Drehpunkte auf, fotografierten und klassifizierten erfolgreich etwa 250 von ihnen.

„Es hat viel Spaß gemacht“, sagte Mikaela. „Man kommt irgendwie in einen Rhythmus.“

Wie sich herausstellte, hat sich ihre Google-Earth-Aufklärung gelohnt: In 83 % der Fälle stimmten die bodengestützten Klassifikationen der Drehpunkte der Schwestern mit Mikaelas satellitengestützten Klassifikationen überein. Dann machte sie sich daran, die Rostigkeit jedes Zapfens mit dem neuesten Nitratmesswert des Grundwassers zu vergleichen, das ihn speiste, und stützte sich dabei auf eine Grundwasserdatenbank, die vom Nebraska Department of Agriculture und der University of Nebraska-Lincoln gemeinsam entwickelt wurde.

Cherry interessierte sich besonders dafür, ob die jeweiligen Nitratkonzentrationen über oder unter 10 Milligramm pro Liter lagen, was die Environmental Protection Agency 1991 als maximale Konzentration für den menschlichen Verzehr festlegte. Dieser Standard entstand aus dem Auftreten des Blue-Baby-Syndroms, bei dem die Haut eines Säuglings blau wird – oft eine Folge des Trinkens von Formeln, die aus nitratreichem Brunnenwasser hergestellt wurden, das den Sauerstoffgehalt im Blut reduzieren kann. Mehrere Studien haben ebenfalls Nitrat mit einer höheren Inzidenz von Geburtsfehlern und mehreren Krebsarten in Verbindung gebracht.

Nach einem Querverweis zwischen den Positionen der Drehzapfen und ihren Nitratkonzentrationen im Grundwasser stellte Cherry fest, dass keiner der 76 Grundwasserbrunnen, die in die Vollrost-Drehzapfen speisten, Nitrat über dem Schwellenwert von 10 mg/l enthielt. Tatsächlich betrug die durchschnittliche Nitratkonzentration dieser Quellen nur 2,4 mg/L. Das meiste, wenn auch nicht das gesamte Grundwasser, das den teilweise rostigen Zapfen zugeführt wurde, lag ebenfalls unterhalb der Nitratschwelle, mit einer durchschnittlichen Konzentration von 4,5 mg/L, aber einem Maximum von fast 23 mg/L.

Obwohl ein Großteil der No-Rost-Pivots aus Grundwasserbrunnen unterhalb der EPA-Schwelle mit durchschnittlich 7,8 mg/L stammte, taten dies viele andere nicht. Einer der Brunnen, der einen rostfreien Zapfen lieferte, wurde mit fast 44 mg/l gemessen, mehr als das Vierfache des EPA-Grenzwerts. Und statistische Analysen bestätigten einen deutlichen Unterschied – einen, der sehr unwahrscheinlich auf Zufall zurückzuführen ist – zwischen den Nitratkonzentrationen, die mit den Vollrost- und Nicht-Rost-Drehpunkten verbunden sind.

„Es scheint also eine ziemlich starke Korrelation zwischen dem Rost und dem Nitrat zu geben“, sagte Cherry, die anmerkte, dass größere Probengrößen die Schlussfolgerung des Teams weiter stützen könnten.

Während der dreitägigen Feldexpedition durch Süd-Zentral-Nebraska bemerkte Cherry auch ein Muster, das sich bestätigte, als sie später die Drehpunkte gemäß ihrer bodengestützten Klassifikation kartierte.

„Die rostigen Zapfen treten in der Regel fleckenweise auf“, sagte sie. „Sie sind nicht zufällig. Sie sehen Gruppen von ihnen zusammen im gesamten Untersuchungsgebiet.“

Mikroben, Snickers und der Bauernalmanach

Natürlich waren Cherry, Gilmore und die Forscherkollegen Jeffrey Westrop, Yusong Li und Tiffany Messer neugierig, was genau für die Nitrat-Rost-Verbindung verantwortlich ist. Sie sind sich immer noch nicht sicher, aber sie haben eine Hypothese – eine mit den unzähligen Mikroorganismen, insbesondere Bakterien, die im Boden und im Grundwasser leben.

Mikroben, die in Grundwasserleitern leben, verdanken ihr Überleben oft organischem Kohlenstoff, der ihnen Elektronen verleiht, die ihren Stoffwechsel antreiben. Einige der für ihr Überleben wesentlichen chemischen Reaktionen hängen jedoch auch davon ab, Elektronen an Elemente oder Verbindungen in ihrer Nähe abzugeben. Mehrere Elemente und Verbindungen sind bereit, mikrobielle Elektronen aufzunehmen, aber die Mikroben geben diese Elektronen nur so energieeffizient wie möglich ab.

„Was sie ‚essen‘, basiert auf dem, was da ist und was energetisch am einfachsten ist“, sagte Cherry. „Es ist, als ob ein Mensch sich entscheidet, ein Snickers statt etwas Salat zu essen. Das Snickers wird ihnen die einfachste Energie geben.“

Also priorisieren die Mikroben die Empfänger ihrer Elektronen: zuerst gelöster Sauerstoff, dann Nitrat, Mangan und dann Eisen. Indem sie dem im Grundwasser gefundenen Eisen ein Elektron verleihen, wandeln Mikroben es in eine Form um, die oxidiert oder rostet, wenn es an die Oberfläche gepumpt und Sauerstoff ausgesetzt wird – was erklärt, warum einige Drehpunkte mit dem rotbraunen Farbton überzogen werden, selbst wenn sie korrodieren nicht.

Aber die Tatsache, dass Mikroben erst nach dem Verbrauch von Nitrat auf Eisen zurückgreifen, deutet laut Cherry darauf hin, dass das meiste oder das gesamte verfügbare Nitrat in demselben Grundwasser bereits verbraucht wurde. Und das könnte möglicherweise erklären, warum ein roter Drehpunkt das Fehlen von Nitrat im Grundwasserleiter darunter anzuzeigen scheint.

„Das ist nur unser vorgeschlagener Mechanismus“, sagte Cherry. „Das ist logischerweise das, was unserer Meinung nach passieren könnte.“

Natürlich muss ein Aquifer Eisen enthalten, damit die Zapfen darüber überhaupt rot werden. Da dies nicht bei allen Grundwasserleitern der Fall ist, ist das vorgeschlagene farbcodierte System laut Cherry nur in Gebieten anwendbar, die einen angemessenen Anteil des Elements aufweisen. Typischerweise sind dies Gebiete, die an Bäche oder Flüsse angrenzen – einschließlich der Platte, im Fall von Süd-Zentral-Nebraska.

Abgesehen von der Fülle an Ackerland, das durch Aquifer bewässert wird, war Süd-Zentral-Nebraska ein erstklassiger Standort für Cherrys Studie, teilweise weil die Natural Resources Districts oder NRDs des Gebiets das Grundwasser seit langem auf Nitrat und andere Verunreinigungen überwachen. Während Omaha, Lincoln und andere Metropolregionen über die Infrastruktur verfügen, um ihr gesamtes Trinkwasser kontinuierlich zu überwachen, nehmen NRDs in ländlichen Gebieten abwechselnd Teilmengen ihrer Grundwasserstandorte zur Probe. In Süd-Zentral-Nebraska widmen die NRDs Tri-Basin und Little Blue etwa einen Monat im Jahr der Probenahme von Brunnen, sagte Cherry. Und obwohl das Verfahren gut etabliert sein mag, ist es nicht billig.

Eine neue Umfrage unter den ländlichen Einwohnern von Nebraska ergab, dass etwa 25 % ihr Wasser aus privaten Brunnen beziehen. Von dieser Untergruppe gaben nur 55 % an, dass sie ihr Wasser speziell auf Nitrat testen lassen. Cherry sagte, sie könne sich eine Zukunft vorstellen, in der Landbewohner und sogar NRDs Center Pivots als eine Art Farmer’s Almanac-Kurzschrift konsultieren, mit der sie Gebiete auf das potenzielle Fehlen von Nitrat untersuchen können.

„Wenn Sie sich in einem Gebiet befinden, von dem Sie wissen, dass diese Gemeinde so ziemlich ausschließlich rostige Zapfen hat, werden Sie vielleicht nur ein oder zwei Brunnen beproben. Während diese (andere) Gemeinde keine rostigen Zapfen hat. Vielleicht probieren Sie es aus mehr Brunnen dort, damit Sie eine bessere Vorstellung davon bekommen, wo sich das Nitrat befindet“, sagte sie. „Sie könnten also strategisch Proben nehmen, je nachdem, wo Sie denken, dass Nitrat ein Problem sein könnte.“

Die Methode könnte sich in Ländern wie Brasilien als besonders relevant erweisen, die ihren Einsatz von Bewässerung weitgehend ausweiten, sagte Cherry. Entwicklungsländer, denen derzeit die Ressourcen fehlen, um ihr Grundwasser regelmäßig zu beproben, könnten ebenfalls einen gewissen Wert darin finden, sich an ihre Drehpunkte zu wenden, um sich beraten zu lassen.

„In einer idealen Welt“, sagte sie, „könnte dies eine Anwendung sein, die verwendet werden könnte, um Bereiche mit höherem oder geringerem Risiko für eine Nitratkontamination auszusortieren – bevor es überhaupt dazu kommt.“

Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht ACS ES&T Wasser.