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TU Berlin

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Transport von Viren bei der Uferfiltration

Quantitative Ansätze zur Optimierung des Multi-Kompartiment-Konzeptes und für ein modell-basiertes Risikomanagement bei der Uferfiltration in hydraulisch und hydrogeochemisch heterogenen Aquifersystemen

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Über den Verbleib von Viren im heterogenen aquatischen Milieu, welche über Ausscheidungen von Mensch und Tier dorthin gelangen, sind noch viele Fragen ungeklärt. Fest steht jedoch, dass zahlreiche Prozesse an ihren Transport- und Inaktivierungsvorgängen beteiligt sind. Da humanpathogenen Viren über mehrere Monate infektiös bleiben können und bereits eine geringe Dosis zur Virusinfektion führt, sind ebendiese Fragestellungen von großer Relevanz.

Das Ziel dieses Projektes ist daher die Weiterentwicklung eines Multi-Kompartiment-Konzepts für die Uferfiltration (siehe Abbildung) zur besseren Abschätzung des Transports hygienisch relevanter Mikroorgansimen unter Berücksichtigung der Selbstreinigungswirkung der einzelnen Kompartimente und von variablen hydraulischen und geochemischen Bedingungen.

Für eine verbesserte und prozessbasierte Risikoabschätzung des Transportvorhaltens von humanpathogenen Viren bei der Uferfiltration beinhaltet das Konzept des Projekts einen multiskaligen und prozessbasierten Ansatz:

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Umweltrelevanz

Structure of adenoviruses
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Während sich die Wissenschaft in der Vergangenheit vor allem dem Schicksal pathogener Bakterien gewidmet hat, ist unser Wissen über den Verbleib von pathogenen Viren in aquatischen Systemen lückenhaft. Sie gelangen mit den Ausscheidungen von Mensch und Tier ins Abwasser oder direkt in die Umwelt. Bisherige Resultate zum natürlichen Rückhalt in Sedimentkörpern sind sehr widersprüchlich (Krauss & Griebler, 2011). Sicher ist, Viren können in der aquatischen Umwelt über mehrere hundert Tage infektiös bleiben. Hinzu kommt, dass bei Viren die „infektiöse“ Dosis mit einem aktiven Viruspartikel viel geringer ist als bei pathogenen Bakterien (ca. 100 Zellen) (Krauss & Griebler, 2011).   

Prozesse

Abbildung 2: Transport von Viruspartikeln (nicht maßstabsgerecht) anhand von 4 ausgewählten Stromlinien. (a) "straining" (physikalische Filtration an kleinen Porenhälsen). (b) Sorption nach Kollision mit Kornoberfläche bei (lokal) günstigen Bedingungen (bspw. positive Kornoberflächenladung). (c) keine Sorption aufgrund keiner Kollision. (d) keine Sorption wegen Kollision unter (lokal) ungünstigen Bedingungen (bspw. negative Kornoberflächenladung).
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In der Umwelt tragen verschiedene Prozesse zur Inaktivierung und Elimination von Viren bei, bspw. UV-Licht und erhöhte Temperatur (Schijven et al., 1999). Ein wichtiger Prozess für den Rückhalt von Viren in Sedimenten ist ihre Sorption an geladene Oberflächen, siehe Abbildung 1. Verschiedene Studien haben gezeigt, dass Sorptionsprozesse abhängig sein können vom Wasserchemismus, Sättigungsgrad, biologischen Faktoren sowie Kornverteilung und Chemismus des Aquifers (Xagoraraki et al., 2014). Einen signifikanten Einfluss auf den Transport von Viren haben hydrologische Ereignisse, bspw. da es durch Hochwasserwellen oder den erhöhten Eintrag von Niederschlagswasser in den Grundwasserleiter eine Veränderung des Grundwasserchemismus kommen kann.

Quantitativ kann der Transport von Viren mittels der Kolloid-Filtrations-Theorie (CFT) zwar beschrieben werden. Sie funktioniert jedoch nur einwandfrei für „saubere“ Substrate mit konstanten chemischen Eigenschaften und solange keine Abstoßung zwischen Kolloiden (bspw. Viren) und dem Korngerüst existiert, was jedoch unter natürlichen Bedingungen meist der Fall ist (Hunt & Johnson, 2017; Tufenkji & Elimelech, 2004). 

Projektkoordination und Partner

Abbildung 4. Mesoskala Versuchsanlage der Stadtwerke Düsseldorf (links) und Messstellentransekte beim Wasserwerk Flehe (rechts).
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Projektkoordination: TU Berlin (FG Hydrogeologie)

 

Projektpartner:

  •  Stadtwerke Düsseldorf, Wasserqualität
  • Helmholtz-Zentrum München für Gesundheit und Umwelt
  • VisDat Geodatentechnologie GmbH

Gefördert durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)

Projektzeitraum: 2017 - 2020

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