Zahlreiche Grund­wasserkörper Europas sind mit hohen Nitratkonzentrationen belastet (UBA, 2024). Isotopen­analysen liefern Rückschlüsse auf die Herkunft des Nitrats, jedoch würde eine vorangegangene Denitrifikation dessen Isotopen­ver­hält­nisse überprägen. Mit Hilfe der N₂-Exzess-Methode (NLWKN, 2012) kann das bereits durch Denitrifikation umgesetzte Nitrat berechnet werden. Durch Kom­bination von Nitratisotopen- und N₂-Exzess-Analysen ist eine belast­barere Be­stim­mung der Herkunft des Nitrats möglich (Boelke, 2002). Im Vortrag wird die An­wen­dung dieser Methodenkombination für Grundwasser­proben aus drei Trink­was­ser­­schutzgebieten vorgestellt. Eine erste Auswertung der Nitratisotopenanalysen nach den Genesebereichen von (Kendall et al.,2007) ergab für die analysierten Nitratkonzentrationen (6- 28 mg/L) eine Herkunft aus Wirtschaftsdünger. Der in den Proben ana­lysierte N₂-Exzess indizierten jedoch, das die ana­ly­sierten Isotopen­signaturen bereits fraktio­n­iert wurden. Die N₂-Exzess-Konzen­trationen wurden zur Berechnung der Nitrat­ein­trags­­konzentrationen NO₃(t₀) bzw. der Isotopenverhältnisse von NO₃(t₀) benutzt. Hierfür wurde ein Isotopenanreicherungsfaktor für die Denitrifikation in sandig-kiesigen Grundwasserleitern aus (Grischek et al., 1998) verwendet. Im Ergebnisse dessen stammte das Nitrat nicht aus Wirtschaftsdünger, sondern aus Mineraldünger bzw. Boden-NH₄ (Abb.1).

Nitrate (NO₃^-) leaching from fertilized soils is a major driver of water quality degradation, contributing to eutrophication and posing risks to human health. Understanding nitrate sources and transformations is crucial for mitigation, as these processes depend on farming practices, climate, and subsurface dynamics. Stable isotopes of nitrate (δ¹⁵N-NO₃^- and δ¹⁸O-NO₃^-) are powerful tools for tracing these dynamics and revealing biogeochemical processes such as nitrification and denitrification. Changes in nitrate isotope composition result from isotope effects, differences in reaction kinetics or equilibrium partitioning due to the tendency of heavier isotopes to react more slowly or fractionate differently than lighter ones. Although isotope effects are typically derived from controlled laboratory experiments, natural systems, marked by variable redox conditions, hydrology, and substrate heterogeneity, can substantially modify them.

To address this gap, we estimated isotope effects in situ through high-resolution monitoring of an agricultural soil profile, combining nitrate, redox, and isotopic measurements with numerical modeling and HYDRUS-based particle tracking. Evidence of nitrification was found in the upper soil horizons, supported by nitrate concentrations above 2.75 mM and δ¹⁵N values (δ¹⁵N = 4.2‰ ± 0.9‰) indicative of a soil nitrogen source, likely derived from immobilized fertilizer. A clear signature of denitrification is observed mainly in the capillary fringe, where nitrate levels drop to 0.004 mM and isotopic shifts follow a linear Δδ¹⁸O:Δδ¹⁵N slope of 0.79. The isotopic effects of nitrification were not well constrained, reflecting the limited ability to resolve parameters under the available data and model structure. In contrast, denitrification shows a median ¹⁵ε_NAR and ¹⁸ε_NAR of 7.77‰ and 5.78‰, respectively. These isotope effects show corresponding variations with redox conditions and display negative tendencies with both temperature change and pH. Lower redox potentials lead to reduced isotope effects, consistent with faster reactions under more reducing conditions. Similarly, within the observed range, higher pH and positive temperature changes correspond to enhanced microbial activity and smaller isotope effects.

Overall, integrating isotopic data with process-based modeling improved the understanding of nitrate transformations and highlighted the environmental controls governing isotopic fractionation in agricultural soils.

Bei der Grundwassersanierung ist das Ziel stets, die ökologisch, ökonomisch und technisch optimale Strategie zu finden. Diese bezieht zunehmend natürliche oder stimulierte biologische Abbauprozesse ein, deren Effizienz und Nachhaltig jedoch sorgfältig geprüft werden müssen. Wird ein relevanter biologischer Schadstoffabbau nachgewiesen, können kostengünstige und umweltfreundliche Sanierungsoptionen umgesetzt werden. Die Bewertung von biologischen Abbauprozessen stellt daher einen zentralen Bestandteil moderner Standortuntersuchungen dar.

Am Beispiel eines ehemaligen großindustriellen Standorts, bei dem eine erhebliche Grundwasserbelastung mit organischen Schadstoffen wie BTEX, polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) und chlorierten Ethenen vorliegt, wird die Kombination innovativer Untersuchungsmethoden vorgestellt, mit denen wesentliche Parameter zur Bewertung von Schadstoffabbauprozessen bestimmt werden. Hierzu zählen die komponentenspezifische Isotopenanalyse (CSIA) sowie molekularbiologische Untersuchungen mittels quantitativer PCR (qPCR) zur Bestimmung taxonomischer und funktionaler Gene. CSIA liefert eindeutige Aussagen zur Quellencharakterisierung durch isotopische Fingerabdrücke und erlaubt gleichzeitig den quantitativen Nachweis des biologischen oder chemischen Abbaus, da Änderungen der Isotopenverhältnisse direkt mit Abbauprozessen verknüpft sind. Ergänzend zeigen qPCR-Analysen die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften und die Verteilung spezifischer funktioneller Gene, wodurch charakteristische Zonen mit erhöhtem Abbaupotenzial identifiziert werden können.

Anhand der Ergebnisse konnten drei distinkte Schadstoffquellen abgegrenzt und nachhaltige natürliche Abbauprozesse sowohl in den Quellbereichen als auch in der Grundwasserschadstofffahne nachgewiesen werden. Die aus CSIA-Daten und qPCR-Ergebnissen abgeleiteten Abbauraten wurden in ein numerisches Standortmodell integriert, um die zukünftige Ausbreitung der Schadstofffahne im Grundwasser zu prognostizieren. Zur Bewertung der Wirksamkeit einer möglichen aeroben Biostimulation als Nachbehandlungsoption wurden zusätzlich Laboruntersuchungen unter stimulierten Bedingungen durchgeführt. Mit hochsensitiven ¹³C-Mikrokosmosstudien konnte die vollständige Mineralisierung der Schadstoffe über die Anreicherung von ¹³C in Endprodukten (z. B. CO₂, CH₄, Ethen) nachgewiesen und quantifiziert werden. Diese Messungen ermöglichten eine genaue Bestimmung der Mineralisierungsraten unter variierenden Umweltbedingungen.

Basierend auf den gewonnenen Daten wurden standortspezifische Sanierungsszenarien für den kontaminierten Aquifer entwickelt und modellbasiert bewertet. Dabei zeigte sich, dass sowohl ein MNA-Szenario (Monitored Natural Attenuation) als auch ein ENA-Szenario (Enhanced Natural Attenuation mit stimuliertem aeroben Abbau) langfristig zu einer deutlichen Reduktion des Schadstoffmassenflusses im Grundwasser führen können. Der verwendete Multiple-lines-of-evidence-Ansatz (MLEA) ermöglichte die optimale Nutzung der Synergieeffekte der einzelnen Methoden und ihre gegenseitige Validierung.

Das Ergebnis verdeutlicht, dass der natürliche biologische Abbau ein wesentlicher Bestandteil der nachhaltigsten und zugleich kosteneffizientesten Sanierungsstrategie für den Standort ist – ein Beispiel dafür, wie integrierte analytische, biologische und modellgestützte Ansätze zu einer wissenschaftlich fundierten Entscheidungsgrundlage für Grundwassersanierungsmaßnahmen beitragen können.