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Vulnerability and response of groundwater microbial communities in alpine regions to anthropogenic impacts and climate change
Alice Retter
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Environmental Sciences
Betreuer*in
Christian Griebler
DOI
10.25365/thesis.79072
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13676.81914.728143-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Diese Doktorarbeit befasst sich mit dem Verständnis der Anfälligkeit, der Reaktion, der Vielfalt, der Verteilung und der ökologischen Rolle von mikrobiellen und pilzlichen Gemeinschaften im Grundwasser, wobei der Schwerpunkt auf alpinen Regionen liegt. Prokaryotische und eukaryotische Gemeinschaften sind allgegenwärtig und spielen eine entscheidende Rolle im biogeochemischen Kreislauf von Nährstoffen und Energie in den unterirdischen aquatischen Ökosystemen der Erde. Alpine Regionen zeichnen sich durch eine einzigartige, vielfältige und komplexe Umwelt aus, die besonders anfällig für anthropogene Einflüsse und Verschiebungen hin zu höheren Temperaturen und veränderter hydrologischer Dynamik ist. Das Untersuchungsgebiet erstreckt sich über einen Höhen- und Landschaftsgradienten im Murtal, Österreich, und umfasst verschiedene Lebensräume von alpinen Regionen bis hin zu städtischen und Flachlandgebieten mit unterschiedlichen regionalen Klima- und Landnutzungseinflüssen. Die Grundwassertemperaturen entlang des wichtigsten Oberflächenwasserkörpers, welcher die Grundwasserleiter durchschneidet, der Mur, waren durchweg niedriger als in der Mur, allerdings mit bemerkenswerten saisonalen und räumlichen Schwankungen. Insgesamt unterstreicht die Arbeit, dass Fluss- und Grundwasserökosysteme biologisch unterschiedlich sind, jedoch in unterschiedlichem Maße miteinander verbunden sind. Grundwasserleiter in alpinen Regionen waren über den Fluss stärker mit natürlichen Wasserquellen wie der Gletscherschmelze verbunden, während städtische und ackerbaulich genutzte Niederungen erhebliche menschliche Einflüsse aufwiesen, insbesondere in Bezug auf Wärme, Nährstoff- und Salzbelastung. Im Grundwasser war die prokaryotische Vielfalt größer als in Flusssystemen, insbesondere in alpinen Regionen, wo isolierte hydrologische Bedingungen und die Komplexität der Lebensräume zur Bildung von Gemeinschaften beitrugen. In den Grundwasserleitern flussabwärts waren jedoch die Umweltbedingungen des Flusses ausschlaggebend. Die Pilzvielfalt im Grundwasser war zwar geringer als in der Mur, folgte aber einem weniger ausgeprägten räumlichen Trend, wobei bestimmte Gattungen mit dem Nährstoffeintrag in das von Natur aus energiearme Grundwasser in Verbindung gebracht wurden. Der Einfluss lokaler Landschaftscharakteristika wie Klima, lokale Landnutzung und Gesteinsbeschaffenheit auf die Bildung von Pilzgemeinschaften im Grundwasser wurde hervorgehoben. Was die Produktivität betrifft, so war die Mur insgesamt produktiver als das Grundwasser und wies eine höhere prokaryotische Aktivität, einen höheren Kohlenstoffeintrag durch terrestrische Kopplung, aber auch eine größere Pilzvielfalt auf. Das urbane Grundwasser unterhalb der Stadt Graz erlebte eine signifikante Erwärmung, eine Evapokonzentration von Nährstoffen während asugedehnter Trockenperioden und eine geringe mikrobielle und pilzliche Diversität, die auf anthropogene Einflüsse wie organische und anorganische Verschmutzung, z. B. durch Straßenabflüsse, aber auch auf eine erhöhte Evapotranspiration zurückzuführen ist. Insgesamt ist das Klima im Stadtgebiet und flussabwärts im Alpenvorland deutlich trockener. Im landwirtschaftlich intensiv genutzten Tiefland war das Grundwasser durch erhöhte Temperaturen, überproportional hohe Nitratwerte und Verdunstungsraten, beeinflusst z.B. durch Bewässerungspraktiken, und erhöhte Oberflächenabflüsse gekennzeichnet. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit Instrumente und Methoden zur Bewertung des mikrobiologisch-ökologischen Zustands des Grundwassers vorgestellt und es wird unterstrichen, wie wichtig es ist, bei der Bewertung des Gesundheitszustands des Grundwassers verschiedene Faktoren, wie z. B. biologische Aspekte, zu berücksichtigen, und dass es massgeblich ist, über unbelastete Referenzdaten zu verfügen.
Abstract
(Englisch)
This doctoral thesis focuses on understanding the vulnerability, response, diversity, distribution, and ecological roles of microbial and fungal communities in groundwater, with an emphasis on alpine regions. Prokaryotic and eukaryotic communities are ubiquitous and play a crucial role in the biogeochemical cycling of nutrients and energy in the Earth's subsurface aquatic ecosystems. Alpine regions are characterized by a unique, diverse, and complex environment, being particularly vulnerable to anthropogenic influences and shifts towards higher temperatures and altered hydrological dynamics. The study area covered an altitudinal and landscape gradient in the Mur river valley, Austria, comprising diverse habitats from alpine regions to urban and lowland areas with diverse regional climatic and land use influences. Groundwater temperatures along the major surface water body intersecting the groundwater aquifers, the river Mur, were consistently lower than in the river, but with notable seasonal and spatial variations. The thesis overall underscores that river and groundwater ecosystems are biologically distinct, but with varying levels of connectivity. Groundwater aquifers in alpine regions were more connected to natural water sources such as glacial melt via the river, while urban and arable lowlands exhibited significant human impact, particularly in terms of heat, and nutrient and salt loads. In groundwater, prokaryotic diversity exceeded that of river systems, particularly in alpine regions, where isolated hydrological conditions and habitat complexity contributed to community assembly. However, in aquifers downstream the river environmental conditions were prominent drivers. Fungal diversity in groundwater, though lower than in the river Mur, followed a less pronounced spatial trend, with particular genera associated with nutrient input into the naturally energy-poor groundwater. The influence of local landscape characteristics such as climate, local land use, and bedrock lithology on shaping fungal communities in groundwater was highlighted. In terms pf productivity, the river Mur was overall more productive than groundwater, exhibiting higher prokaryotic activity, carbon input through terrestrial coupling, but also fungal diversity. The urban groundwater around the city of Graz experienced significant warming, evapoconcentration of nutrients during extended dry periods, and low microbial, and fungal diversity due to anthropogenic influences such as organic and inorganic pollution from e.g., road runoff, but also increased evapotranspiration. Altogether, the climate is much dryer in the urban area and downstream. In the agriculturally intensively used lowland, groundwater was characterized by increased temperatures, disproportionately high nitrate levels and evaporation rates, influenced by, e.g., irrigation practices, and increased surface sealing through industrial and transportation facilities. In addition, this thesis presents tools and methods for assessing the microbiological-ecological status of groundwater and underscored the importance of considering various factors, such as biological aspects, when evaluating groundwater health status and puts emphasis on having pristine reference datasets available.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Grundwasser Alpine Regionen Metabarcoding Hydrologischer Kreislauf Pilzgemeinschaften Mikrobielle Gemeinschaften Aquatische Ökosysteme
Schlagwörter
(Englisch)
groundwater alpine region metabarcoding hydrological cycle fungal communities microbial communities aquatic ecosystems
Autor*innen
Alice Retter 
Haupttitel (Englisch)
Vulnerability and response of groundwater microbial communities in alpine regions to anthropogenic impacts and climate change
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
III, 174 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Silke Langenheder ,
Tillmann Lüders
Klassifikationen
42 Biologie > 42.90 Ökologie. Allgemeines ,
42 Biologie > 42.93 Limnologie
AC Nummer
AC17617946
Utheses ID
75547
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 299 |