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Transport von Viren im Grundwasser – experimentelle Untersuchungen und mathematische Modellierung

Univ.-Prof. Dr. Stumpp, Christine / Dr. Kellermann, Claudia / Univ.-Prof. Mag. Dr. Griebler, Christian

Zusammenfassung Grundwasser ist eine unserer wichtigsten Ressourcen für die Gewinnung von Trinkwasser. Es ist ein thermisch stabiles Ökosystem, das durch seine Funktionen zur guten Wasserqualität beiträgt. Die Nutzung oberflächennaher Geothermie für Heiz- und Kühlzwecke kann zu variablen Temperaturverhältnissen führen. Die Konsequenzen von Temperaturschwankungen auf den Verbleib potenziell pathogener Mikroorganismen und Viren sind allerdings kaum untersucht. Ziel dieser Studie war deshalb, Transport und Verbleib von zwei Modell-Viren (MS2 und T7) bei unterschiedlichen Temperaturen (4–45 °C) im Labor in Sedimentsäulen zu untersuchen. An die experimentellen Daten wurde ein mathematisches Modell zur Beschreibung des reaktiven Stofftransports angepasst und die Transportparameter ermittelt. In allen Experimenten spielte Sorption eine wichtige Rolle für den Rückhalt der Viren. Dabei findet sowohl Gleichgewichtssorption als auch kinetische, reversible Sorption statt. Irreversible Sorption, also eine vollständige Eliminierung der aktiven Viren aus der wässrigen Phase, wurde durch das Modell nicht bestätigt, kann aber für inaktive Partikel nicht komplett ausgeschlossen werden. Die Adsorptionsraten zeigten eine leichte Temperaturabhängigkeit, wobei diese Abhängigkeit für die beiden Modellviren entweder positiv (MS2) oder negativ (T7) war. Wesentlich stärkeren Einfluss auf die Adsorptionsraten hatte die Abstandsgeschwindigkeit; je schneller, desto geringer waren die Raten. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Temperatur im Gegensatz zu hydrologischen Variablen (Abstandsgeschwindigkeit) nur wenig auf den Verbleib aktiver Virenpartikel von MS2 und T7 ausgewirkt hat. Sorption war ein wichtiger Prozess, eliminierte Viren aber nicht komplett aus dem Porenwasser, sodass diese trotzdem mobil waren. Es bleibt weiter zu klären, ob Temperaturänderungen oder Sorptionsprozesse zu einer zusätzlichen Inaktivierung von Virenpartikeln führen können und unter welchen Bedingungen.

Abstract Groundwater is one of our most important sources for drinking water. It also is a typically temperature stable ecosystem and contributes with its ecosystem services to a good water quality. Shallow geothermal energy used for heating and cooling purposes can influence the temperature regime. The consequences of different temperature on the fate of potentially pathogenic microorganism and viruses remains poorly understood though. Therefore, we investigated the transport of two model viruses (MS2 and T7) at different temperatures (4–45 °C) in sediment columns in the laboratory. A reactive transport model was fitted to the experimental data to quantify transport parameter. Sorption was an important process retarding virus transport in the columns for all experiments. Both equilibrium sorption and reversible kinetic sorption were found. An elimination of viruses from the water phase through irreversible sorption processes had not to be considered when modelling the observed virus particles, but cannot be excluded for inactive viruses. Temperature had a small influence on adsorption rates which was virus specific with positive influence for MS2 and negative influence for T7. More obvious was the impact of water flow velocities on adsorption rates; the faster the water flow velocity the smaller the adsorption rates. The results showed that temperature in contrast to hydrological variables (i.e., water flow velocities) had only minor impact on the transport of the active model-viruses MS2 and T7. Sorption was an important process but did not remove viruses from the groundwater completely. It remains to be tested whether temperature changes or sorption additionally result in inactivation of virus particles.