H2O Water Matters - december 2020

Uitgave H2O Voorwoord 2 COVID-19: vroegdetectie in rioolwater 4 Ecologisch herstel zoet-zout-overgangen? 8 Waterkwaliteit van sloot tot KRW-waterlichaam 12

WATER

MATTERS KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS December 2020

Functie van kwelders voor vis 16 Morfodynamische effecten langsdammen 20 Hoe werden de PFASnormen onderbouwd? 24 Verbeterde arseenverwijdering grondwater 28 Emissie broeikasgassen uit oppervlaktewater 32 DNA-monitoring vissen in grote rivieren 36 Micro-organismen en zandfiltratie 40

2

VOORWOORD

Onderzoek met zicht op praktische toepassing Voor u ligt de elfde editie van Water Matters, het kennismagazine van vakblad H2O. U treft tien artikelen over uiteenlopende onderwerpen, geschreven door waterprofessionals op basis van gedegen onderzoek.

Bij de beoordeling heeft de redactieraad een selectie gemaakt waarbij is gekeken naar een duidelijke relatie met de dagelijkse praktijk in de watersector, de opzet van Water Matters. Onderzoek, resultaten en bevindingen moeten nieuw zijn en artikelen genereren die nieuwe kennis, inzichten en technieken opleveren met uitzicht op praktische toepassing.

In deze editie komt een breed scala aan onderwerpen aan bod met daarbij ook aandacht voor actuele thema’s, zoals vroegdetectie van het coronavirus middels rioolwatersurveillance en de onderbouwing van de nieuwe PFAS-normen. Verder: de invloed van stikstof en fosfor op ecologische waterkwaliteit, arseenverwijdering bij grondwaterzuiveringen, de ecologische waarde van zoet-zout-overgangen, de werking van zandfilters bij de drinkwaterproductie, monitoren van vissen met environmental DNA, morfodynamische effecten van langsdammen, de functie van kwelders voor vis en de relatie tussen waterkwaliteit en uitstoot van broeikasgassen.

Water Matters is, net als het vakblad H2O, een initiatief van Koninklijk Nederlands Waternetwerk (KNW), het onafhankelijke kennisnetwerk voor en door Nederlandse waterprofessionals. Leden van KNW krijgen Water Matters twee keer per jaar gratis als bijlage bij hun vakblad H2O. De uitgave van Water Matters wordt mogelijk gemaakt door vooraanstaande spelers in de Nederlandse watersector. Deze Founding Partners zijn ARCADIS, Deltares, KWR Watercycle Research Institute, Royal HaskoningDHV en Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA). Met de uitgave van Water Matters willen de participerende instellingen nieuwe, toepasbare waterkennis toegankelijk maken.

U kunt Water Matters ook digitaal lezen op H2O-online (www.h2owaternetwerk.nl). Daarnaast is deze uitgave als digitaal magazine ook in het Engels beschikbaar via dezelfde website of via www.h2o-watermatters.com.

De Engelstalige artikelen kunnen vanuit het digitale magazine op H2O-online worden gedeeld. Voorts zijn artikelen uit eerdere edities terug te vinden op de site.

Veel leesplezier met deze editie. Wilt u reageren? Laat het ons weten via redactie@h2o-media.nl Monique Bekkenutte Uitgever (Koninklijk Nederlands Netwerk) Huib de Vriend Voorzitter redactieraad Water Matters

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

INHOUD

COLOFON Water Matters is een uitgave van Koninklijk Nederlands Waternetwerk (KNW) en wordt mogelijk gemaakt door ­ARCADIS, Deltares, KWR ­Watercycle Research Institute, Royal HaskoningDHV en de Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA).

UITGEVER Monique Bekkenutte (KNW) HOOFDREDACTEUR Bert Westenbrink Eindredactie Mirjam ­Jochemsen, Nico van der Wel, Bert Westenbrink REDACTIEADRES Koningskade 40 2596 AA Den Haag redactie@h2o-media.nl REDACTIERAAD Huib de Vriend (voorzitter), Toon B ­ oonekamp, Gertjan ­Medema, Paul ­Roeleveld, Jeroen Vervaart, Joachim ­Rozemeijer, Michelle Talsma VORMGEVER Ronald Koopmans DRUK Veldhuis Media, Raalte

DECEMBER 2020

COVID 19 Detectie in rioolwater 4

PFAS Nieuwe toepassings­ normen 24

Early warning tot op wijkniveau

Hoe werden ze onderbouwd?

ZOET-ZOUTOVERGANG Ecologische betekenis 8

ARSEEN Verwijdering bij ­zuiveren grondwater 28

Herstel van estuariene dynamiek

Strategie, ontwikkeling en resultaten

WATERKWALITEIT Stikstof en fosforconcentraties 12

BROEIKASGASSEN Emissie uit ­oppervlaktewater 32

Verschil boerensloot en regionaal water

Betere kwaliteit = lagere uitstoot

KWELDERS Opgroeigebied vissen 16

eDNA METABARCODING Monitoring vissen 36

Aangelegde en natuurlijke kwelders

Toepasbaar in grote rivieren?

LANGSDAMMEN Morfodynamische effecten 20

DRINKWATER Zandfiltratie van grondwater 40

Resultaten pilotstudie in de Waal

Welke micro-organismen spelen een rol?

3

4

WATER MATTERS

iStockphoto

AUTEURS

Gertjan Medema en Frederic Been (KWR Water Research Institute)

Leo Heijnen (KWR Water Research Institute)

VROEGDETECTIE VAN COVID-19 IN DE BEVOLKING DOOR ANALYSE VAN RIOOLWATER Rioolwater bleek al vroeg tijdens de eerste golf van COVID-19 een belangrijke bron van informatie over het nieuwe coronavirus. In de afgelopen maanden is door een groot aantal instanties en onderzoekers hard gewerkt aan een onderzoeksopzet voor het hele land, en aan een correcte interpretatie van de metingen. Betrouwbare early warning tot op het niveau van wijken en bijvoorbeeld verpleeghuizen komt steeds dichterbij.

Om de epidemie van het nieuwe coronavirus effectief te kunnen bestrijden moeten we vroegtijdig kunnen zien waar het aantal infecties toeneemt. Daarvoor zijn de bekende teststraten ingericht door de GGD’s. Maar een groot deel van de geïnfecteerden kent geen of milde symptomen en komt niet in de teststraat. Maar iedereen gaat wel naar het toilet, en 40 à 50 procent van de mensen met COVID-19 scheidt hoge concentraties van het virus uit in de ontlasting.

Gevoelig Het virus dat via het riool bij de rioolwaterzuivering (rwzi) aankomt is niet meer infectieus, maar het erfelijk materiaal van het virus (RNA) is nog wel specifiek aantoonbaar. In ons onderzoek hebben we dit voorjaar laten zien dat de eerste golf van de pandemie in Neder-

5

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Afbeelding 1. De concentratie SARS-CoV-2 RNA bij rwzi Amsterdam-West vergeleken met het aantal nieuwe COVID-19 meldingen en ziekenhuisopnames per 100.000 inwoners van Amsterdam

land zichtbaar was in het rioolwater van diverse steden (Medema et al., 2020a). Ook bleek dat als meer mensen ­positief testten op COVID-19, de concentratie virus-RNA in het riool­ water hoger was.

De analyses bleken ook erg gevoelig: we zagen al virus-RNA in het riool toen er nog maar één COVID-19 geval per 100.000 inwoners was gemeld. Maar dat kwam ook doordat tijdens de eerste golf lang niet iedereen werd getest. Uit onderzoek van Sanquin in april 2020 onder bloeddonoren bleek dat er veel meer besmettingen waren opgetreden dan gemeld.

Inmiddels denken we dat er bij één COVID-19-geval per 5.000 tot 20.000 inwoners al virus-RNA in het rioolwater aantoonbaar is; nog steeds een erg hoge gevoeligheid.

Snel Belangrijker nog dan gevoeligheid is snelheid. Tijdens de eerste golf waren de trends in de viruscirculatie eerder zichtbaar in rioolwater dan in de testresultaten van de GGD. Dat komt ten eerste doordat de virusuitscheiding al hoog kan zijn voordat iemand ziek wordt. Ten tweede levert het testen een vertraging op: het duurt een aantal dagen voordat mensen getest worden en de testuitslag bekend is; de vertraging ligt ook aan de huidige testmethode (met PCR-testen), nog los van hoe snel mensen zich laten testen.

De waarde van rioolwatermetingen zit dan ook in early warning. Tijdens de eerste golf hebben we het ­virus-RNA in rioolwater van Amersfoort en ­Terschelling aangetroffen 6 dagen voordat de eerste COVID-19 gevallen gemeld werden.

DECEMBER 2020

COVID-19: vroegdetectie in rioolwater

4

Naar early warning voor heel Nederland Ook het RIVM heeft vanaf het voorjaar op een aantal plaatsen in rioolwater gemeten (Lodder & de Roda Husman, 2020). Dat is de afgelopen maanden opgeschaald van 29 rwzi’s in mei, via 80 rwzi’s in juli tot alle 318 rwzi’s in september. Alle rwzi’s in Nederland worden nu wekelijks bemeten (zie coronadashboard. rijksoverheid.nl). Ook elders in Europa en daarbuiten is men overgegaan tot rioolwatermetingen (Medema et al., 2020b), maar nergens zo vroeg en uitgebreid als in Nederland. Om de vergelijkbaarheid van de ­resultaten binnen Europa te helpen borgen, voert KWR samen met het Joint Research Center van de Europese Unie een vergelijkingsonderzoek uit.

In Nederland meet KWR nu alleen nog in A ­ msterdam, Rotterdam en Utrecht, parallel aan het n ­ ationale meetprogramma. In deze steden kondigden de meetresultaten de huidige tweede golf aan (zie de figuren).

Zorgvuldig Voor een betrouwbare vroege waarschuwing is het noodzakelijk om zorgvuldig te kijken naar zowel de rioolwatergegevens als de gegevens uit de GGD teststraten. Zo rapporteerden we in de eerste maanden de concentratie virus-RNA in rioolwater. Maar die is natuurlijk ook afhankelijk van de verdunning van huishoudelijk afvalwater met andere waterstromen in het

6

WATER MATTERS

Afbeelding 2. Concentratie SARS-CoV-2 RNA bij rwzi Utrecht (oranje) vergeleken met het aantal nieuwe COVID-19 meldingen (blauw) en ziekenhuisopnames (grijs) per 100.000 inwoners van Utrecht

riool (regenwater, grondwater, industrieel afvalwater, bronneringswater etc.). Die verdunning varieert van plaats tot plaats en van moment tot moment. Om daarvoor te corrigeren hebben we een methode ontwikkeld om de verdunning van ontlasting in rioolwater te bepalen. Daartoe meten we de concentratie van een bacterievirus dat in hoge (en bekende) concentraties in alle menselijke fecaliën voorkomt (Cross Assembly of CrAss faag). Deze gegevens maken een betere interpretatie van de metingen van virus-RNA mogelijk (afbeelding 1 en 2).

Daarnaast heeft Jeroen Langeveld van Partners­ 4UrbanWater een methode ontwikkeld om de metingen ook te kunnen corrigeren voor het aantal mensen in het voorzieningsgebied van een rwzi, het volume afvalwater per persoon en het debiet en de geleidbaarheid van het rioolwater. Deze twee correctiemethoden vergelijken we nu met elkaar (onderzoek in Rotterdam, zie onder).

Invloed van testbeleid In de eerste golf werden alleen mensen met een specifieke set symptomen getest. Nu wordt er veel breder en veel meer getest. Dat betekent dat de verhouding tussen COVID-19 meldingen van de GGD en de concentratie van virus-RNA in het riool nu heel anders is dan in de eerste golf. Dat wordt duidelijk uit een vergelijking van afbeelding 1 en 2. Begin oktober

meldde de GGD zowel in A ­ msterdam als in Utrecht ca. 60 COVID-19 gevallen per 100.000 inwoners, tegen ca. 5 per 100.000 inwoners in de eerste golf. Echter, de concentratie van virus-RNA in het riool was in beide perioden verge­lijkbaar (vergelijk begin april met begin oktober). Daarom moeten zowel de rioolwatergegevens als de COVID-19 meldingen genormaliseerd worden om ze goed te kunnen vergelijken.

Ook is qua gebied een goede overlap nodig tussen de GGD-data en de rioolwatergegevens. De grenzen van een gebied dat af­watert op een rwzi komen vaak niet goed overeen met het gebied waarover de COVID-19 meldingen worden gerapporteerd. Om dit te verhelpen is een match op postcodes nodig: welke postcodegebieden worden b ­ emeten met een rioolwatermeting en hoeveel mensen zijn dat? En welk deel daarvan heeft COVID-19?

Tot slot blijkt uit ons onderzoek en ook uit buitenlands onderzoek dat één keer per week meten waarschijnlijk niet genoeg is om tot een betrouwbare early warning te komen. Ook moet er op meer plekken gemeten worden, bijvoorbeeld bij verpleeghuizen, of als een rwzi een hele stad beslaat. De vroege detectie in Amersfoort en Terschelling blijkt bij nader inzien een ‘toevalstreffer’.

Naar een betere vroegdetectie Net voor de tweede golf is het ‘Rotterdam Rioolwater Project’ van start gegaan, waarin een kleine 20 instellingen samenwerken. Hiervoor zijn stadsdelen en wijken geselecteerd waar rioolgebieden en huisartsenpraktijken goed overlappen. De rwzi Dokhaven ontvangt rioolwater van vier stadsdelen in

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

stromen die apart worden bemonsterd. Daarnaast zijn er bemonsteringskasten geïnstalleerd op een aantal rioolgemalen. We verzamelen de volgende gegevens: • rioolwatermetingen, 3 keer per week; • huisartsen testen patiënten om te weten hoe vaak mensen met COVID-19 virus in hun ontlasting hebben; • huisartsen registreren de klachten van patiënten (syndroom surveillance); • testresultaten van de GGD voor de geselecteerde gebieden; • het RNA van virussen in rioolwater en in patiënten.

Op dit moment worden de gegevens verzameld en gecombineerd. Duidelijk is al wel dat de tweede golf in sommige Rotterdamse wijken sneller opkwam dan in andere. Ook nu lijkt rioolwater een early warning te geven.

Steeds meer informatie uit rioolwater Met de toepassing van rioolwateranalyse op COVID-19 is een nieuwe dimensie toegevoegd aan het benutten van rioolwater als informatiebron. Eerder werden gegevens verzameld over gebruik van drugs en geneesmiddelen, het vóórkomen van antibioticaresistentie en recent de blootstelling van de bevolking van Flint (Michigan) aan lood (Flint Water Crisis). Zorg voor de volksgezondheid lag ooit aan de basis van riolering en sanitatie, maar nu blijkt rioolwater bovendien veel informatie te bevatten die minstens even waardevol is voor de publieke gezondheid.

Gertjan Medema, Frederic Been en Leo Heijnen (KWR Water Research Institute)

Verantwoording In het Rotterdam Rioolwater Project werken ErasmusMC (afdelingen Viroscience, Huisartsengeneeskunde, Medische ­informatica, Medische Microbiologie en Infectieziekten), GGD, huisartsenpraktijken van Rijnmond Gezond en RIVM nauw samen met KWR, waterschappen, gemeente, STOWA, Partners­ 4UrbanWater en Royal Haskoning DHV, met ondersteuning door IMD en AQUON. Financiering komt van de Erasmus MC foundation, Adessium Foundation, een Horizon 2020 grant van VEO, STOWA, de waterschappen en het Topconsortium Watertechnologie voor Kennis en Innovatie van het Ministerie van ­Economische Zaken en Klimaat.

DECEMBER 2020

Referenties Medema G, Heijnen L, Elsinga G, Italiaander R, Brouwer A. Presence of SARS-Coronavirus-2 RNA in Sewage and Correla­tion with Reported COVID-19 Prevalence in the Early Stage of the Epidemic in the Netherlands. Environ Sci Technol Lett 2020, 7. https://www.sanquin.nl/over-sanquin/nieuws/2020/04/ sanquin-ongeveer-3-van-donors-heeft-corona-antistoffen Izquierdo Lara RW, Elsinga G, Heijnen L, Oude Munnink B, Schapendonk CME, Nieuwenhuijse D, Kon M, Lu, L, Aarestrup FM, Lycett S, Medema G, Koopmans MPG, de Graaf M. Monitoring SARS-CoV-2 circulation and diversity through community wastewater sequencing. https://www.medrxiv.org/content/ 10.1101/2020.09.21.20198838 Lodder W, de Roda Husman AM. SARS-CoV-2 in wastewater: potential health risk, but also data source. Lancet Gastroenterol Hepatol 2020, 5:533–534.

Medema G, Been F, Heijnen L, Petterson S. Implementation of environmental surveillance for SARS-CoV-2 virus to support public health decisions: opportunities and challenges [published online ahead of print, 2020 Oct 1]. Curr Opin Environ Sci Health.

2020;doi:10.1016/j.coesh.2020.09.006 https://ec.europa.eu/jrc/en/science-update/sars-cov-2-surveillance-employing-sewers-eu-umbrella-study-status-update Nieuwenhuijse DF, Oude Munnink BB, Phan MVT et al. Setting a baseline for global urban virome surveillance in sewage. Sci Rep 2020, 10:13748.

Roy S, Tang M, Edwards MA. Lead release to potable water during the Flint, Michigan water crisis as revealed by routine biosolids monitoring data. Water Res. 2019 Sep 1;160:475-483.

SAMENVATTING Rioolwater blijkt een bron van informatie in de bestrijding van het coronavirus. De meerwaarde is vooral het vroegtijdig en gevoelig opsporen van het (her)opleven van de aantallen virusinfecties in een voorzieningsgebied. Dat wordt nu door het RIVM toegepast in het nationale rioolwatersurveillance programma. Nederland loopt wereldwijd voorop in het gebruik van rioolwater als informatiebron. Voor een optimale vroegdetectie moet vaker en op meer plekken getest worden.

Het onderzoek richt zich nu op het bemeten van stadsdelen bij rioolgemalen en bijvoorbeeld verpleeghuizen via hun afvoerende riool, zoals nu in Rotterdam gebeurt.

COVID-19: vroegdetectie in rioolwater

7

8

WATER MATTERS

Shutterstock

AUTEURS

Marijn Tangelder en Erwin Winter (Wageningen University & Research/ Marine Research)

Arno Nolte (Deltares)

Tom Ysebaert (WUR/Marine Research, Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee NIOZ, Univer­ siteit Antwerpen)

ECOLOGISCHE BETEKENIS VAN ZOET-ZOUT-OVERGANGEN EN EVALUATIE VAN HERSTEL MET MODELSTUDIE ­VOLKERAK-ZOOMMEER De natuurlijke dynamiek van zoet-zout-overgangen is de basis voor een grote ecologische diversiteit. Door activiteiten als inpolderingen, aanleg van dammen en baggerwerkzaamheden zijn de dynamische zoet-zout-overgangen (estuaria) in de Nederlandse delta grotendeels of geheel verdwenen.

Dit artikel zoomt in op de Zuidwestelijke Delta, waar sinds de jaren negentig veel aandacht wordt besteed aan het herstel van estuariene dynamiek. Wat zijn precies de ecologische waarden die deze overgangen vertegenwoordigen?

En welke hiervan worden met herstelmaatregelen bediend?

Om de ecologische waarden van zoet-zout-overgangen te achterhalen kijken we eerst naar de belangrijkste processen aan de basis van deze complexe ecosystemen. De samenkomst van rivier en zee resulteert in een mengzone met een horizontale gradiënt van zoet via brak naar zout en ook een verticale gradiënt van het zwaardere zoute water (bodem) naar het lichtere zoete water (oppervlakte). Deze mengzone kan enorm fluctueren in ruimte en tijd; per dag, per getijcyclus, per seizoen, per jaar en bij extreme omstandigheden als storm

9

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Afbeelding 1. Reconstructie van de oorspronkelijke saliniteit (in practical salinity units, psu) in extreme situaties in de Zuidwestelijke Delta (naar gegevens uit Wolff (1973))

of extreme rivierafvoer. Afbeelding 1 illustreert de saliniteit in de Zuidwestelijke Delta vóór de Deltawerken. Hier is duidelijk te zien dat de brakke zone zich, in afwezigheid van barrières, over een brede zone kan uitstrekken van de Biesbosch tot ± 10 km op de Noordzee, afhankelijk van het tij en de rivierafvoer.

Transportprocessen In die overgangszone mengen niet alleen zoet en zout water maar ook zand- en kleideeltjes die worden aangevoerd. In een ingewikkelde ‘dans’ gedreven door waterbeweging en deeltjesinteracties slaat het grootste deel neer in een verscheidenheid aan sedimenttypen. Naast sedimentatie vindt er ook transport plaats van (opgeloste) stoffen en organisch materiaal dat door de rivier wordt aangevoerd en het ­estuarium passeert. Hierbij gaat het vooral om nutriënten, mineralen en gesuspendeerd organisch materiaal.

De brakke zone fungeert als een soort immense bio­ reactor waarin organische vlokken worden gevormd die door grote hoeveelheden bacteriën verteerd worden, en zo het organisch materiaal beschikbaar maken voor de voedselketen in de vorm van ­nutriënten.

Ecologische betekenis Zoet-zout-overgangen zijn dus meer dan simpele mengzones van zoet rivierwater en zout zeewater.

Wat maakt deze systemen ecologisch zo waardevol? Dit heeft te maken met de grote variatie aan ­gradiënten maar ook met het simpele gegeven dat deze gebieden de fysieke verbinding tussen rivier en zee vormen en daarmee transportprocessen en migratie van soorten mogelijk maken. De ecologische betekenis wordt bepaald door de volgende vier aspecten:

DECEMBER 2020

1. Diversiteit habitats en soorten: De gecombineerde dynamiek van horizontale en verticale zoet-zoutgradiënten en van sedimentatieprocessen (­opbouw en successie door sedimentatie, afbraak en terugkeer naar pionierstadium door erosie) spelen hierin een stuwende rol.

2. Voedsel voor het voedselweb: De nutriënten, aangevoerd met de rivieren en vrijgekomen bij de afbraak van organisch materiaal, stimuleren de groei van algen (‘primaire productie’), het basisvoedsel voor het estuariene en mariene voedselweb.

3. Kraam- en kinderkamerfunctie: Voedselrijkdom en specifieke omstandigheden, zoals ­beschutting door troebelheid en snel opwarmend ondiep ­water, maken estuaria tot belangrijke geboorte­ grond en een goede plek voor foerageren en schuilen (ook) voor juveniele vissen en garnalen, wat van belang is voor instandhouding van populaties, die ook weer voedselbron zijn voor andere soorten.

4. Migratiecorridor (swimway): Een complete zoetzout-overgang verbindt mariene, estuariene en zoetwaterhabitats. Dit is van groot belang voor het voortbestaan van migrerende vissoorten, die in hun levenscyclus afhankelijk zijn van verschillende habitats.

Herstelmaatregelen De Zuidwestelijke Delta is een gebied waar zoet-zout-overgangen verregaand zijn beïnvloed door de aanleg van de Deltawerken, met uitzondering van de Westerschelde. Ambities voor herstel van estuariene dynamiek en connectiviteit klinken in meerdere beleidssporen en in de uitvoeringsagenda’s van het

Ecologisch herstel zoet-zoutovergangen?

8

10

WATER MATTERS

Afbeelding 2. Gemiddelde saliniteit (in psu) in de simulatie van twee scenario’s. In de bovenaanzichten de saliniteit van de oppervlaktelaag. Boven en rechts naast beide bovenaanzichten de verticale saliniteitsverdeling in een lengtedoorsnede (Tiessen en Nolte, 2018)

is inlaat van zoet water vanuit het Hollandsch Diep via de Volkeraksluizen. De derde is de afvoer naar de Westerschelde via de Bathse Spuisluis (die ook nu al deels plaatsvindt). Hoe veranderen de (horizontale en verticale) zoutgradiënten als deze kranen verder of minder ver opengedraaid worden?

Deltaprogramma, de Europese Kaderrichtlijn Water (KRW) en de Programmatische Aanpak Grote Wateren (PAGW). Voorbeelden van maatregelen gericht op herstel van verbindingen zijn het verversen van het Veerse Meer (2004), het op een ‘kier’ zetten van de Haringvlietsluizen (2018), invoeren van gedempt getij op het Grevelingenmeer (planvoorbereiding en mogelijke uitvoering vanaf 2026) en talloze maatregelen gericht op het voor vissen passeerbaar maken van gemalen, stuwen en sluizen, zowel binnen- als buitendijks. Daarnaast zijn er maatregelen gericht op het verbeteren van bestaande habitats of het uitbreiden van habitats, bijvoorbeeld door aanleg van ­natuurvriendelijke oevers (binnendijkse wateren) en het creëren van intergetijdengebieden door ­ontpoldering van de Noordwaard in de Biesbosch, de Hedwige-/Prosperpolder, de Perkpolder langs de Westerschelde en de Rammegors in de Oosterschelde. Ook draagt wet- en regelgeving bij aan het verminderen van verontreinigende lozingen en het verbeteren van de waterkwaliteit.

Modelstudie Volkerak-Zoommeer De beslissing over het verzilten van het VolkerakZoommeer is uitgesteld. In 2017 is echter een modelstudie gedaan om te onderzoeken hoe met eventuele waterbeheermaatregelen optimalisatie van een zoetzout gradiënt mogelijk is met het oog op het maximaliseren van ecologische kwaliteit. In het model is gedraaid aan drie knoppen. De eerste is inlaat van zout water uit de Oosterschelde via (nieuwe) openingen in de Philipsdam en de Oesterdam. De tweede

Afbeelding 2 brengt dit voor twee scenario’s in beeld. Bij grote zoetwateraanvoer (links, afbeelding 2) ontstaat een grotendeels licht brak systeem (psu > 0,5), terwijl bij lagere zoetwateraanvoer een groot deel sterk brak is (rechts, afbeelding 2). De onderlaag is altijd zouter dan de bovenlaag en kan zuurstofloos worden. De modellering laat ook de ­stratificatie ­(laagvorming) zien nabij de Volkeraksluizen: de bovenlaag is brak en de onderlaag zout. Het blijkt dat het niet mogelijk is om een zoetwaterbel (psu < 0,5) bij de Volkeraksluizen te creëren, ook niet door het toelaten van grotere zoet-waterdebieten (tot 100 m3/s). Er is altijd sprake van een brakke zone, die naar het westen overgaat naar een zoute zone, er is dus geen volledige zoet-zout-overgang. In de mondingen van de Brabantse rivieren Dintel en Vliet ontstaat wel een volledige gradiënt maar die is beperkt tot hooguit enkele tientallen hectares.

Evaluatie De modelstudie laat zien dat het maken van een verbinding tussen wateren via doorlaatmiddelen in potentie kan bijdragen aan een gestuurde zoet-zout dynamiek met een semi-natuurlijk karakter. Aanvoer van extra zoet water verandert niet alleen de ­zoutgradiënten, maar zorgt ook voor extra aanvoer van nutriënten. Of en waar dat tot meer voedsel leidt, hangt af van complexe interacties met o.a. het lichtklimaat en begrazing (consumptie van algen). Overigens betekent dat ook dat de nutriënten dan ergens anders niet meer beschikbaar zijn.

Als we de effecten van de maatregelen beoordelen

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

op de vier hierboven benoemde ecologische aspecten dan kunnen we concluderen dat ze bijdragen aan het creëren van meer habitatdiversiteit in de vorm van zoute en brakke dynamische habitats (1) maar er is geen sprake van een volledige zoet-brak-zout zonering. Ook ontstaat er een potentieel hogere (primaire) voedselproductie (2). Het variëren met debieten via doorlaatmiddelen draagt naar onze inschatting niet of zeer beperkt bij aan sedimenttransport (1), kraam- en kinderkamerfunctie (3) en vismigratie (4), ­afhankelijk van het precieze beheer en vormgeving van het doorlaatmiddel. Hiervoor is immers een in principe een volwaardige verbinding met zowel de zoete als de zoute zone nodig. Een dam met doorlaatmiddel beïnvloedt en belemmert de hydrodynamiek die bij een volwaardige open verbinding zorgt voor onder andere gradiënten, snelle afbraak van organisch materiaal en sedimenttransport.

De herstelmaatregelen in de Zuidwestelijke Delta bedienen vooral vismigratie, door aanleg van vispassages (gemalen) of aangepast sluisbeheer (Kier Haringvliet). De andere (voorgenomen) maatregelen in de Zuidwestelijke Delta kunnen zorgen voor herstel van de ecologische waterkwaliteit (in Veerse Meer en Grevelingen) en herstel van slikken- en schorren­ habitats (ontpoldering). Al met al dragen herstelmaatregelen gericht op connectiviteit en herstel van estuariene dynamiek, vergeleken met de vier ecologische aspecten, maar beperkt bij aan herstel van zoet-zout overgangen.

Tot slot Volwaardig herstel van zoet-zout-overgangen met een terugkeer naar oorspronkelijke estuariene dynamiek in de Zuidwestelijke Delta kan alleen door deltadammen te verwijderen, en dat is geen onderdeel van het huidige beleid. Voor de gecompartimenteerde ­wateren liggen kansen voor verbeteren van de ecologische kwaliteit voornamelijk in het slim sturen met sluizen en doorlaatmiddelen – zoals in de planvoorbereiding voor het Grevelingenmeer wordt verkend – het behouden en ontwikkelen van intergetijdenhabitats en, niet in de laatste plaats, het koesteren en verbeteren van de open verbindingen die er nog zijn.

DECEMBER 2020

11

Dankwoord De totstandkoming van dit artikel was mogelijk door financiering van onderzoek vanuit het ministerie van Landbouw, Natuur en Voedselkwaliteit en Rijkswaterstaat.

Marijn Tangelder en Erwin Winter (Wageningen University & Research/Marine Research), Arno Nolte (Deltares), Tom Ysebaert (WUR/Marine Research, Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee NIOZ, Universiteit Antwerpen) Referenties Tangelder, M., Winter, E., Ysebaert, T. (2017) Ecologie van zoet-zout-overgangen in deltagebieden. Literatuurstudie en beoordeling van een scenario in het Volkerak-Zoommeer. Wageningen Marine Research, Yerseke. rapport C116/17. 48 blz.

Tiessen, M. C. H. & Nolte, A. J. (2018). Verkenning zoet-zoutgradiënten in het Volkerak Zoommeer gericht op ecologische kwaliteit. Modelstudie. Deltares, Delft. 11201168-000 Wolff, W. (1973). The estuary as a habitat. An analysis of data on the soft-bottom macrofauna of the estuarine area of the rivers Rhine, Meuse and Scheldt. PhD, State university of Leiden.

SAMENVATTING Zoet-zout-overgangen (estuaria) vormen dynamische, zeer gevarieerde en rijke ecosystemen.

De estuaria van de Rijn, Maas, Schelde en Eems zijn grotendeels verdwenen. Ecologische waarde van zoet-zout-overgangen vertaalt zich primair in de volgende vier aspecten: (1) een hoge diversiteit aan habitats en soorten, (2) voedsel voor het voedselweb, (3) kraamkamer en opgroeigebied, en (4) migratiecorridor. Herstelmaatregelen in de Zuidwestelijke Delta richten zich vooral op vismigratie, waterkwaliteit en ontwikkelen van habitats, en maar zeer beperkt op het herstel van dragende (transport)processen. Zoals de modelstudie Volkerak-Zoommeer laat zien , biedt voor gecompartimenteerde wateren innoveren in het beheer van doorlaatmiddelen wel kansen voor het behalen van ecologische verbetering.

Ecologisch herstel zoet-zoutovergangen?

12

WATER MATTERS

AUTEURS

Jonas Schepens en Saskia Lukács (Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu, LMM)

Arno Hooijboer en Annemieke van der Wal (Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu, LMM)

Simon Buijs (Deltares, MNLSO)

WATERKWALITEIT: VAN SLOTEN OP LANDBOUWBEDRIJVEN TOT REGIONALE OPPERVLAKTEWATEREN De ecologische waterkwaliteit wordt voor de Europese Kaderrichtlijn Water (KRW) gemonitord in oppervlaktewateren die in het beheer zijn van de waterschappen en het Rijk maar niet in agrarische bedrijfssloten. Hoe verhouden de totale concentraties stikstof (N) en fosfor (P) in die sloten zich tot die in de regionale oppervlaktewateren? Verschilt dit per grondsoortregio? En verschilt de verhouding van de componenten die samen totaal N en P vormen? Nieuwe (zomer)metingen in de sloten maken vergelijking mogelijk.

De Kaderrichtlijn Water (KRW) heeft als doel in heel Europa de kwaliteit van alle wateren zowel chemisch als ecologisch op orde te krijgen. Voor de ecologische waterkwaliteit zijn de concentraties N en P belangrijke parameters. De oppervlaktewaterkwaliteit wordt gemoni­ tord in meerdere (landelijke) meetnetten: de KRW-meetnetten, het Meetnet Landbouw Specifiek Oppervlaktewater (MNLSO) en het Landelijk Meetnet effecten Mestbeleid (LMM).

Deze meetnetten zijn voor verschillende doelen ingericht. De KRW-meetnetten zijn opgezet om KRW-waterlichamen te toetsen aan de chemische en ecologische KRW-normen. Het MNLSO meet de kwaliteit van regionale oppervlaktewateren die voornamelijk door landbouw beïnvloed worden. De waterschappen monitoren de regionale KRW-waterlichamen en de MNLSO-locaties; deze overlappen in enkele gevallen. Het LMM is opgezet voor de monitoring van de Nitraatrichtlijn en is onder andere gericht op de uit- en afspoeling van nutriënten (hoofdzakelijk N en P) naar agrarische bedrijfssloten.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

13

Afbeelding 1. Schematische weergave van meetnetten voor de ­waterkwaliteit: de agrarische ­bedrijfssloten van het LMM, landbouwspecifieke wateren van het MNLSO en de regionale KRW-waterlichamen (aangepast uit [4])

Deze meetnetten sluiten qua schaalniveau op elkaar aan (afbeelding 1). Het LMM meet de rechtstreekse invloed vanuit landbouwpercelen. De locaties van het MNLSO zijn zo gekozen dat ze geen puntbronnen bevatten zoals rwzi’s; ze worden primair gevoed met water uit natuur- en landbouwgebieden. De KRWwaterlichamen worden beïnvloed door zowel landbouw als puntbronnen.

Uit eerder onderzoek hebben we al veel geleerd.

De KRW-doelen voor totaal stikstof (N) en fosfor (P), van belang voor de ecologische waterkwaliteit, worden in ongeveer de helft van de KRW-waterlichamen nog niet gehaald [1]. Volgens modelberekeningen komt dat voor een belangrijk deel door de uit- en afspoeling van N en P vanuit landbouwgronden, die via de agrarische sloten in het regionale oppervlakte­ water terechtkomen [2]. En uit- en afspoeling vindt vooral plaats in het winterseizoen, wanneer er sprake is van een neerslagoverschot; de verschillende meetnetten laten zien dat dan de nitraatconcentraties het hoogst zijn in de LMM-sloten en vervolgens afnemen in MNLSO-wateren en KRW-wateren [3].

De ecologische KRW-normen zijn echter uitgedrukt in zomergemiddelden voor totaal N en P, omdat die in belangrijke mate bepalend zijn voor de voedselrijkdom van het water en het behalen van een goede ecologische waterkwaliteit. Het LMM meet van oudsher landbouwsloten in de winter om de uitspoeling van nutriënten te monitoren. Sinds 2017 meet het LMM ook ’s zomers totaal N en P in de

DECEMBER 2020

landbouwsloten. Met deze nieuwe zomer­data is nu onderzocht of de winterse uitspoeling van n ­ utriënten vanuit de landbouw terug te zien is in h ­ ogere zomer­ concentraties totaal N en P in LMM-sloten ten opzichte van de MNLSO-wateren en de regionale KRW-wateren.

Vergelijkingsmethode Om beter aan te sluiten bij de meetstrategieën van de andere meetnetten meet het LMM sinds 2017 in de periode juni-september drie maal de concentraties totaal N en P in de landbouwsloten, net als de waterschappen in ongefiltreerd water (tabel 1). Bij de dataselectie is rekening gehouden met de resterende verschillen in meetstrategieën. Uit de maandelijks verzamelde data van de waterschappen zijn alleen de data over de zomermaanden van 2017-2019 geselecteerd. Hieruit zijn gemiddelden berekend per hoofdgrondsoort van de regio (klei, veen en zand). De lössregio is niet meegenomen omdat hier n ­ auwelijks sloten voorkomen. De waterschappen nemen water­ monsters standaard op 30 cm diepte, het LMM bemonstert het bovenste slootwater. Hiervoor is niet gecorrigeerd.

Tabel 1. Meetstrategieën van de verschillende meetnetten (LMM, MNLSO en KRW)

Waterkwaliteit van sloot tot KRWwaterlichaam

12

14

WATER MATTERS

Afbeelding 2. Gemiddelde zomerconcentratie (met standaardfout) totaal stikstof (A) en fosfor (B) in agrarische bedrijfssloten (LMM), landbouwspecifieke wateren (MNLSO) en regionale KRWwateren voor de jaren 2017-2019 per hoofdgrondsoort. De grijze lijnen geven de KRW-doelen voor totaal stikstof en fosfor aan van zoete gebufferde sloten

Voor zowel het LMM als het MNLSO hebben we ook naar de verschillende componenten gekeken die samen totaal N en P vormen: stikstof in nitraat (N-NO3), ammonium (N-NH4) en organische stof, en fosfor in orthofosfaat (P-PO4) en fosfor als (an-)organisch gebonden. Nitriet (NO2) is niet meegenomen omdat het LMM geen nitrietmetingen doet, en het op de MNLSOen KRW- locaties in slechts zeer lage concentraties voorkomt. Voor alle watertypen zijn de gemiddelde zomerconcentraties totaal N en P vergeleken met de KRW-doelen voor zoete gebufferde sloten (M1asloten): 2,4 mg N/l en 0,22 mg P/l. De KRW-normen zijn per waterlichaam afhankelijk van lokale omstandigheden afgeleid. Met een lineair mixed model zijn totaal N en P en de componenten voor de verschillende meetnetten, regio’s en jaren getest, waarbij de meetlocatie als random factor is aangemerkt. Omdat 3 meetjaren onvoldoende zijn voor een trendbepaling, keken we naar verschillen tussen de meetnetten en regio’s over 3 meetjaren samen (afbeelding 2).

Resultaten totaal stikstof en fosfor In de klei- en zandregio zijn totaal N en totaal P in de LMM-sloten, alle jaren samen genomen, significant hoger dan op de MNLSO- en KRW-locaties. In de veenregio zijn (alle jaren gezamenlijk) totaal N en P in het LMM niet significant verschillend van het MNLSO, maar wel hoger dan op de KRW-locaties. De ­MNLSOen KRW-locaties verschillen onderling alleen in totaal P in de klei- en veenregio. Opvallend is verder dat in de (droge) zomer van 2018 erg hoge concentraties totaal N zijn gemeten in de landbouwsloten in de zandregio, en (nog) niet in de andere regio’s en meetnetten.

Resultaten stikstof- en fosforcomponenten Voor totaal N en P meet het LMM in de klei- en de

zandregio hogere waarden dan het MNLSO (afbeelding 2). Afbeelding 3 laat zien dat dit v­ oornamelijk komt door hoge concentraties organisch-N en gebonden-P, en niet door de anorganische nutriënten (nitraat, ammonium en orthofosfaat). De som van de anorganische stikstofcomponenten ammonium en nitraat is in alle regio’s in beide meetnetten vergelijkbaar. De concentratie orthofosfaat in het MNLSO is in alle regio’s hoger dan in de LMM-sloten.

Discussie Door de nieuwe metingen van de zomerwaarden voor totaal N en P in landbouwsloten te vergelijken met de (zomer)metingen in regionale o ­ ppervlaktewateren ontstaat een vollediger beeld van de ecologische waterkwaliteit in Nederland op de verschillende schaalniveau’s. De huidige totale concentraties N en P in de landbouwsloten blijken een stuk hoger dan de KRW-doelen voor zoete gebufferde sloten. Voor de klei- en zandregio zijn de zomerconcentraties totaal N en P in agrarische bedrijfsloten, zoals verwacht, hoger dan in de MNSLO- en de KRW-oppervlaktewateren (afbeelding 2). Dit komt voornamelijk voor rekening van organisch-N en gebonden-P in de landbouwsloten (afbeelding 3), en niet van de anor­ ganische nutriënten.

Een belangrijk verschil tussen de landbouwsloten en de meer regionale waterlichamen is de grootte van de watergangen. Verschillen in de nutriëntenconcentraties hangen hiermee samen. Door de geringe diepte van landbouwsloten warmen die sneller op in de zomer. Dit is gunstig voor algengroei, waarbij anorganische nutriënten worden opgenomen. Ook opwerveling van (organische) sedimentdeeltjes kan door de geringe diepte een belangrijke rol spelen in de landbouwsloten. Daarnaast beïnvloeden biochemi-

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

15

Afbeelding 3. Zomergemiddelde van de stikstof- (A) en fosfor(B) houdende componenten van totaal N en P in agrarische bedrijfssloten (LMM) en landbouwspecifieke wateren (MNLSO) over de jaren 20172019 per grondsoortregio. Voor de regionale KRW-wateren waren deze data (nog) niet in bruikbare vorm ter beschikking

sche en verdunningsprocessen de nutriëntenconcentraties in het oppervlaktewatersystem.

In de veenregio verschillen totaal N en P in de LMM-sloten niet significant van de MNLSO-wateren.

Vooral in de veenregio speelt mee dat in veel polders ‘s zomers gebiedsvreemd water wordt ingelaten om het slootpeil voldoende hoog te houden, waardoor vermenging van het slootwater met inlaatwater optreedt.

We willen benadrukken dat de zeer droge zomers geleid hebben tot uitzonderlijke omstandigheden.

De resultaten die we hier presenteren gelden voor de jaren 2017-2019, en deze kunnen afwijken van de gemiddelde situatie.

In de winterperiode spelen de ­uitspoelingsprocessen een belangrijke rol, aangezien er dan een neerslagoverschot is. Stikstof en fosfor in de landbouw­ sloten is daarom in de winter duidelijker te linken aan uitspoeling dan in de zomer. Bovendien is de winterse stromingsrichting van het water met de nutriënten eenduidiger, namelijk vanaf de percelen via de slootjes naar de grotere wateren. Om de relatie tussen de uitspoeling van nutriënten in de winter en de ontwikkeling van concentraties N en P in de zomer te onderzoeken, zouden de zomer- én wintermetingen van alle meetnetten vergeleken moeten worden.

Daarvoor zijn extra wintermetingen van totaal N en P in de LMM-sloten nodig.

Jonas Schepens, Saskia Lukács, Arno Hooijboer, ­Annemieke van der Wal (Rijksinstituut voor Volks­ gezondheid en Milieu, LMM), Simon Buijs (Deltares, MNLSO)

DECEMBER 2020

Waterkwaliteit van sloot tot KRWwaterlichaam Referenties 1. Duijnhoven, N. van, Linden, A. van der, et al. (2019) KRW – Toestand- en trendanalyse voor nutriënten. Deltares, rapportnr. 11203728-006.

2. Groenendijk, P., Boekel, E.M.P.M. van, et al. (2016). Landbouw en de KRW-opgave voor nutriënten in regionale wateren. ­Wageningen Environmental Research, Rapport 2749.

3. Fraters, B., Hooijboer, A.E.J., et al. (2016). Landbouwpraktijk en waterkwaliteit in Nederland; toestand (2012-2014) en trend (1992-2014). RIVM, Rapport 2016-0076.

4. Klein, J., Rozemeijer, J., et al. (2016, 18 februari) Toestand en trend MNLSO- en KRW-meetlocaties. https://www.helpdeskwater.nl/publish/pages/131116/ presentatie_deltares_mnlso_gap_20160218.pdf.

SAMENVATTING Door zowel in regionale oppervlaktewateren als in landbouwsloten totaal stikstof en fosfor te meten, ontstaat een vollediger beeld van de ecologische waterkwaliteit in Nederland. In het algemeen zijn de zomerconcentraties totaal stikstof en fosfor in de landbouwsloten hoger dan in de regionale oppervlaktewateren. Langetermijnmonitoring moet uitwijzen of extra aandacht en acties voor de verlaging van de (hoge) concentraties totaal stikstof en fosfor in slootwater leiden tot het behalen van de KRW-doelen.

16

WATER MATTERS

Veldonderzoek aan vis is arbeidsintensief: onderzoeksassistenten Jetze van Zwol, Jack Perdon en Daan van Houte bij een net geplaatste fuik (2020)

AUTEURS

Ingeborg Mulder en Ingrid Tulp (Wageningen Marine Research)

DE FUNCTIE VAN KWELDERS VOOR VIS Kwelders - of schorren, zoals ze in Zeeland heten - hebben vaak een zeldzame flora en fauna. Wereldwijd komen ze steeds meer onder druk door onder andere inpoldering, ingrepen in de kustzone en klimaatverandering (zeespiegelstijging, stijgende temperaturen, extremere perioden). Kwelders minimaliseren kusterosie en vergroten het waterbergend vermogen; ook zijn ze belangrijk voor koolstofopslag en nutriĂŤntentransport van land naar zee. Daarnaast kunnen ze dienen als opgroeigebied voor vis en schelpdieren.

Dat laatste onderzochten we in aangelegde en natuurlijke kwelders in de Oosterschelde en de Westerschelde.

Op kwelders groeien veel planten die aan het einde van het seizoen afsterven, waarbij het organisch materiaal in het water terechtkomt. Dat levert veel voedsel op voor bodemdieren zoals slikkreeftjes en borstelwormen, en soorten die op de bodem leven zoals aasgarnaal en vlokreeften. Al deze soorten zijn voedsel voor vissen, garnalen en krabben die met hoogwater het gebied intrekken. Bij laagwater zijn vissen die in of aan de rand van de kwelders achterblijven voedsel voor vogels zoals steltlopers, meeuwen en sterns.

Ontpolderen is een manier om nieuwe kwelders te maken of te herstellen, voor natuurontwikkeling en kustherstel. In 2019 en 2020 deden we in opdracht van Rijkswaterstaat onderzoek in Zeeland naar het gebruik van kwelders door vis, met speciale aandacht voor het verschil tussen natuurlijke en nieuw aangelegde kwelders.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

17

Foto’s Jeroen van Dalen

De aangelegde kwelders Rammegors in de Oosterschelde (links) en Perkpolder in de Westerschelde (rechts)

Nieuwe kwelders: Rammegors en Perkpolder De voormalige zeearm Rammegors (Sint ­Philipsland) is ruim veertig jaar geleden afgesloten van de ­Oosterschelde door de aanleg van het Schelde-­ Rijnkanaal. Er ontstond een brak-zoetwater natuurgebied. Omdat steeds meer slikken en kwelders door ‘zandhonger’ in de Oosterschelde verdwijnen, is besloten om Rammegors weer te openen, het getij te herstellen en hiermee 145 hectare slikken en kwelders ‘terug te winnen’. Dit heeft Rijkswaterstaat in 2014 gerealiseerd door middel van een inlaat. In het gebied ontwikkelen zich nu kwelderplanten en er vindt sedimentatie plaats.

Het voormalige landbouwgebied Perkpolder in de Westerschelde is ontpolderd in het kader van natuurherstel en de natuurcompensatieplicht vanwege de verdieping van de Westerschelde. Na aanleg van een nieuwe ringdijk is in 2015 de bestaande dijk door­gestoken, zodat 75 hectare nieuwe estuariene natuur zich kan ontwikkelen. Hier vindt snelle sedimentatie plaats. Toch ligt het gebied nog te laag voor vegetatie-ontwikkeling, en bestaat het dus voornamelijk uit slik en zand.

In beide gebieden worden sinds de start van de ­maatregelen zowel de abiotische (ontwikkeling sedi­ ment, morfologie) als de biotische ontwikkelingen (bodemdieren, vogels, vegetatie) gevolgd (Walles et al.

2019a, 2019b).

Ecologische functie kwelder voor vis Uit onderzoek in binnen- en buitenland is bekend dat kwelders belangrijk zijn als opgroeigebied voor jonge vis. Bij Mont St. Michel (Frankrijk) wordt de kwelder vooral gebruikt door jonge zeebaars die in het ­ondiepe water veilig zijn voor predatie door

DECEMBER 2020

grote vis. In Duitsland bleek het gebruik door vissen in begraasde en onbegraasde kwelders duidelijk te verschillen. Op onbegraasde kwelders kwamen meer vlokreeften voor, waarop in de winter brakwatergrondel en driedoornige stekelbaars foerageerden. Niet alle soorten maakten daar gebruik van: haring en dikkopjes deden dat bijvoorbeeld niet (Friese et al. 2018).

Uit onderzoek in het Verdronken Land van Saeftinghe, één van de grootste brakwaterkwelders van Europa, bleek dat soorten als zeebaars, bot en grondels gebruik maken van kwelderkreken (Hostens et al. 1996).

Verder blijkt naast het beheer ook de leeftijd van een kwelder invloed te hebben op de ecologie. In de loop van de tijd ontwikkelt de soortensamenstelling van de vegetatie zich, waarbij de voedselbeschikbaarheid en de diversiteit van habitats toenemen. Ook de positie van de kwelder in de zoet-zoutgradiënt en lokale waterstromen zijn bepalend.

Visonderzoek in kwelders In het najaar van 2019 zijn we begonnen met onderzoek in de nieuwe kwelder Rammegors en voorjaar 2020 in de natuurlijke kwelder bij Sint-Annaland (Tholen). Beide liggen niet ver van elkaar in het oosten van de Oosterschelde (afbeelding 1), zodat binnen één zeearm een vergelijking mogelijk is tussen een aangelegde en een natuurlijke kwelder. Deze pilot had vooral als doel om uit te zoeken op welke manier we de visfauna het beste konden bemonsteren. Op basis van deze ervaringen zijn uiteindelijk de methodes voor vervolgstudie geselecteerd.

Veldonderzoek in deze kwelders is een uitdaging vanwege het vele slik en de sterke stroming. We gebruikten fuiken met verschillende maaswijdtes en een

Functie van kwelders voor vis

16

18

WATER MATTERS

Samenvatting van visvangsten in de verschillende kwelders in 2019 en 2020 (volgorde alfabetisch). O = Oosterschelde; W = Westerschelde; a = aangelegd. Inzet: een grondel

‘zegen’ - een net van 25 meter lang en 1 meter hoog - dat in een lus door het water getrokken wordt. De fuiken werden met laag water gezet, zowel richting de Oosterschelde als richting de kwelder. Zo worden vissen met inkomend en uitgaand tij gevangen. De fuiken zijn telkens na 24 uur, twee hoogwaterperioden, geleegd.

Afgelopen najaar (2020) is de studie uitgebreid met twee locaties in het oosten van de ­Westerschelde: de nieuwe kwelder Perkpolder en enkele ­kilometers oostelijk daarvan het Verdronken Land van ­Saeftinghe.

De vangsten In de tabel zijn de visvangsten samengevat. In de ­Oosterschelde in de aangelegde kwelder Rammegors, vingen we in najaar 2019 met de fuiken vooral veel paling, soms zo’n 20 tot 60 individuen per fuik, variërend van 15 tot 60 centimeter lang. Ook strandkrabben kwamen in grote aantallen voor, zo’n 100-200 per fuik. Met de zegen vingen we in de bredere ingang van de kreken veel jonge vis zoals koornaarsvis. In de ­natuurlijke kwelder van Sint-Annaland werd in voorjaar 2020 weinig vis gevangen. De vangst bestond voornamelijk uit strandkrabben, oorkwallen, ­zeedruiven, kompaskwallen en een aantal grote

koornaarvissen. Met de zegen vingen we veel jonge harders, gewone garnalen, steurgarnalen en een enkele jonge spiering.

In de Westerschelde vingen we in najaar 2020 veel grote vissen in de fuiken zoals volwassen zeebaars en bot. We vermoeden dat in het Land van Saeftinghe ook volwassen harders gebruik maken van de kreken.

We hebben ze niet gevangen maar zagen wel graassporen. Met de zegen vingen we kleine soorten zoals jonge harders, grondels, steurgarnaal en gewone garnaal.

De grote verschillen tussen Ooster- en Westerschelde zijn geen verrassing. Uit onze jaarlijkse survey in de geulen van deze zeearmen wisten we al dat er in de Westerschelde veel meer grotere vissen voorkomen.

Aangelegde kwelders Kwelders in de delta vervullen verschillende functies voor vis: opgroeigebied voor bijvoorbeeld harder, zandspiering en grondels, en foerageergebied voor grotere vis zoals zeebaars en harder. Uit onze studie concluderen we dat de locatie en de ontwikkelings­ fase van aangelegde kwelders bepalend lijken voor de functie. Zo bevat de aangelegde kwelder R ­ ammegors in de Oosterschelde veel vegetatie waardoor het gebied bescherming biedt aan jonge vis. De nieuwe

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

19

Jonge harder

Referenties Friese, J., A. Temming en A. Danhardt (2018). Grazing management affects fish diets in a Wadden Sea salt marsh. Estuarine Coastal and Shelf Science 212: 341-352.

Garbutt, A. & M. Wolters. 2008. The natural regeneration of salt marsh on formerly reclaimed land. Applied Vegetation Science 11: 335–344

kwelder Perkpolder in de Westerschelde bestaat voornamelijk uit slik, en de kwelder loopt bij laag­ water vrijwel helemaal leeg. Vis zwemt dus met het getij in en uit de geulen, en gebruikt het gebied voornamelijk om in te foerageren, waarschijnlijk op zoöplankton en jonge vis. In de enkele kleine poeltjes blijven wel juveniele grondels achter, wat aangeeft dat deze soort het gebied mogelijk gebruikt als opgroeigebied. De resultaten in Rammegors en Perkpolder geven aan dat (jonge) vis deze kwelders al snel weten te gebruiken. Dit terwijl de gebieden nog volop in ontwikkeling zijn.

De resultaten van ons visonderzoek zijn een mooie aanvulling op de monitoring van bodemdieren en vogels in deze kwelders. De totale biodiversiteit en de ontwikkeling daarvan na (her)inrichting komt nu ­completer in beeld. Voor een echt goed begrip is vaker vangen nodig om een betere vergelijking te kunnen maken tussen natuurlijke en aangelegde kwelders in de Ooster- en Westerschelde. Zo maken sommige soorten alleen gebruik van kwelders in bepaalde perioden van het jaar. Vaker vangen maakt het ook mogelijk om de groei van vissen te volgen.

Dieetstudies (bijv. van maaginhoud) kunnen licht ­werpen op het functioneren van het kweldersysteem, en op de invloed van het beheer op de vissen die van het gebied gebruik maken We hopen dit visonderzoek de komende jaren verder uit te breiden.

Ingeborg Mulder en Ingrid Tulp (Wageningen Marine Research)

DECEMBER 2020

Hostens, K., J. Mees, B. Beyst en A. Cattrijsse (1996) Het visen garnaalbestand in de Westerschelde: soortensamenstelling, ruimtelijk verspreiding en seizoenaliteit (periode 1988-1992).

Gent: Universiteit Gent.

Walles, B., E. Brummelhuis, J. van der Pool en T. Ysebaert (2019a) Development of the benthic macrofauna community after tidal restoration at Rammegors. Wageningen Marine ­Research, report C042/19.

Walles, B., E. Brummelhuis, J. van de Pool, L. Wiesebron en T. Ysebaert (2019b) Development of benthos and birds in an intertidal area created for coastal defence (Scheldt estuary, the Netherlands). Wageningen Marine Research, report C043/19.

SAMENVATTING In 2019 en 2020 is in aangelegde en natuurlijke kwelders in de Oosterschelde en de Westerschelde onderzocht welke vis er voorkwam, en welke functie de kwelders voor de verschillende soorten hadden.

Kwelders (ofwel ‘schorren’) zijn rijk aan voedsel voor een veelheid aan dieren. Duidelijk is dat jonge vis de aangelegde kwelders al snel weet te benutten als opgroeigebied (verblijf, voedsel). Grote vissen foerageren er.

Functie van kwelders voor vis

20

WATER MATTERS

Bron: Rijkswaterstaat Oost-Nederland, 2015

De meest benedenstroomse langsdam in de Waal (bij Ophemert), kijkend in bovenstroomse richting

AUTEURS

Timo V. de Ruijsscher Suleyman Naqshband (Wageningen University; (Wageningen University) Rijkswaterstaat)

Bart Vermeulen en A.J.F. (Ton) Hoitink (Wageningen University)

MORFODYNAMISCHE EFFECTEN VAN LANGSDAMMEN IN DE WAAL Tijdens een uitgebreide pilotstudie in de Waal is onderzocht wat de effecten van langsdammen met bijbehorende oevergeulen zijn op stromingspatronen, morfologie en de sturing daarvan.

Onze grote rivieren zijn grotendeels genormaliseerd, dat wil zeggen dat de hoofdgeul tot een constante breedte is teruggebracht. Dit is gerealiseerd door aanleg van kribben.

Langsdammen met bijbehorende oevergeulen vormen een innovatieve aanpassing van het normalisatiesysteem in het zomerbed van de rivier.

Doel van dergelijke langsdammen is om met een systeemwijziging zoveel mogelijk problemen in het riviersysteem te reduceren. Dat betreft alle functies en belangen: niet alleen leefbaarheids- en veiligheidsproblemen gerelateerd aan hoogwater, biodiversiteit, waterhuishouding en laagwater, maar ook voor goederentransport, recreatie in de uiterwaarden, pleziervaart en sportvisserij.

Vanuit Rijkswaterstaat Oost-Nederland is in 2015 voor onderzoek van deze systeemwijziging een pilot opgezet over een lengte van 10 kilometer in de Waal ter hoogte van Tiel. Deze

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

21

Figuur 1: Schematische weergave van de stromingspatronen rond de instroomopening van de oevergeul. I) De hoek van instroom neemt toe met afnemende langs- en dwarsafstand tot de langsdamkop. II) De drempel blokkeert de stroming in het onderste deel van de waterkolom. III) De geometrie van de drempel induceert een verticale rotatie, waarbij vrot de component van de stroming voorstelt die naar rechts afwijkt ten opzichte van de dieptegemiddelde stroming. IV) Langs de langsdam ontstaat een horizontale recirculatiecel

proef is uitvoerig gemonitord. Om langsdammen zo ­effectief mogelijk te kunnen gebruiken, is ook aandacht besteed aan het beïnvloeden van de evenwichtssituatie waarnaar het systeem neigt. Hiervoor is het instelbereik om verschillende parameters te sturen een belangrijk middel.

We bespreken met name de morfodynamische effecten van langsdammen: (1) kennisontwikkeling over de dominante fysische processen voor stroming en bodemdynamiek in de nabijheid van de instroom van een oevergeul, en (2) ontwikkelen van handvatten voor sturing hiervan. Dit onderzoek steunt op analyse van data uit veldmetingen en uit een fysisch ­schaalexperiment aan Wageningen University & Research, in samenwerking met Rijkswaterstaat Oost-Nederland. Daarnaast zijn binnen het onderzoeksprogramma RiverCare en het publiek-private samenwerkingsverband WaalSamen een breed scala aan effecten van langsdammen onderzocht, ­waaronder maatschappelijk draagvlak, ecologische effecten en gevolgen voor de scheepvaart en landschapsbeleving.

Stromingspatronen Op de plek van de splitsing van de rivier in hoofd- en oevergeul bevindt zich een drempel. Deze kan worden gezien als een verlengd maar verlaagd deel van de langsdam en worden beschreven als een ­onvolkomen (verdronken) brede zij-overlaat, waarbij zowel bovenals benedenstroomse hydraulische condities de afvoerverdeling en het stromingspatroon ­beïnvloeden.

DECEMBER 2020

In de Waal zijn de stromingspatronen uitvoerig ge­ monitord.

De drempel bij de instroom van de oevergeul zorgt voor een complex driedimensionaal stromings­ patroon. Om de oevergeul geschikt te maken voor o.a. pleziervaart, is inzicht in deze stroming nodig.

Achter de drempel ontstaat een verticale circulatie, veroorzaakt door blokkade van de stroming door de drempel in de onderste laag van de waterkolom.

Daarnaast beïnvloedt het geometrisch ontwerp van de drempel de hoek waaronder water de oevergeul instroomt, en daarmee ook de grootte van de horizontale ­recirculatiecel die ontstaat langs de kop van de langsdam in de oevergeul (zie figuur 1).

Sturing van de water- en sedimentverdeling De fractie van de totale rivierafvoer die de oevergeul ingaat, neemt toe met toenemend doorstroomoppervlak over de drempel. Dit is met name van belang om sturing aan te kunnen brengen in de debietverdeling over hoofd- en oevergeul. Ter illustratie: in het initiële ontwerp van een van de langsdammen bleek de o ­ evergeul te veel debiet aan de hoofdgeul te onttrekken. Reductie in doorstroomoppervlak over de drempel heeft dit probleem verholpen.

Ook de sedimentimport naar de oevergeul is stuurbaar door de vormgeving van de drempel in te stellen.

Dit is met name zichtbaar in de morfologische ­structuren die zich aan het begin van de oevergeul vormen, en die in intensiteit afhangen van het geo­ metrisch ontwerp van de drempel. Drie morfologische

Morfodynamische effecten langsdammen

20

22

WATER MATTERS

Figuur2: Schematische weergave van het projectgebied in de Waal, en de 3 morfologische karakteristieken bovenstrooms in de oevergeul: 1) oevererosie, 2) sedimentatie als gevolg van stromingsdivergentie, en 3) sedimentatie tegen de langsdamkop (bron achtergrondafbeelding: Eerden et al. (2011))

s­ tructuren karakteriseren het bovenstroomse einde van de oevergeul, zoals onderzocht in een fysisch schaalmodel (figuur 2): 1. Oevererosie in de oevergeul, hoewel deze in de rivier minder prominent zichtbaar is dan in de schaalexperimenten in het lab. Restanten van oude kribben stabiliseren mogelijk de oever.

2. Een bank als gevolg van divergentie van de stroming de oevergeul in. Dit morfologische effect heeft echter geen noemenswaardige gevolgen voor de functie van langsdammen, zolang de recreatievaart op de meest geschikte plaats (net benedenstrooms) door de opening wordt geleid.

3. Een bank aan de oevergeulzijde van de langsdamkop. Alleen bij lage waterstanden zal deze ­daadwerkelijk hinder opleveren.

Om het instelbereik van langsdammen te vergroten, zijn naast de ingangsopening van de oevergeul nog enkele tussenopeningen gecreëerd als verbinding tussen hoofd- en oevergeul (zie kader). Door deze groter te maken, wordt op verschillende plaatsen over de lengte van de langsdam water en sediment tussen hoofd- en oevergeul uitgewisseld. Om vast te stellen welke invloed openen van deze tussenopeningen heeft op de water- en sedimentverdeling, is meer onderzoek nodig.

Bodemvormen en morfologie Langsdammen zijn geen lokale maatregel, maar een aanpassing van het normalisatiesysteem in het zomerbed. Dit is ook terug te zien in het effect op bodemvormen in de hoofdgeul van de rivier, waar langsdammen het ruimtelijk patroon van banken (lengteschaal 1 km) beïnvloeden. Echter, o.a. lengte en hoogte van rivierduinen (lengteschaal 100 m)

blijven ongewijzigd. Dit resulteert erin dat er in ieder ­geval geen sterke bodemvorm-gerelateerde ondieptes ontstaan die problemen voor de scheepvaart zouden kunnen opleveren.

Daarnaast zijn door het verwijderen van de kribben in de binnenbocht de kribvlammen verdwenen, wat zorgt voor een regelmatiger bodem aan de rand van de vaarweg en een stroming die evenwijdig is aan de vaarweg. Meerjarige monitoring moet uitwijzen of de langsdammen bodemdaling in de rivier tegengaan, maar de eerste resultaten wijzen wel in die richting.

De scheepvaart profiteert ook op andere wijze van de langsdammen. Tijdens periodes van lage waterstand wordt de effectieve breedte van de rivier beperkt, doordat water vrijwel alleen door de hoofdgeul stroomt en de langsdam dichter op de vaargeul ligt dan de koppen van de oorspronkelijk aanwezige kribben. Dit zorgt voor een waterstandsverhoging.

Een eventueel nadeel voor de scheepvaart is de minder brede vaarweg bij lage waterstanden. Doordat ­schepen echter dicht langs een langsdam kunnen varen (anders dan bij de kribben) en de langsdam buiten de vaargeul ligt, is het effect op de scheepvaart beperkt.

Bij hoge waterstanden gaat de oevergeul in toe­ nemende mate meestromen. De gestroomlijnde vorm van de dam zorgt voor een grotere afvoercapaciteit en dus een waterstandsdaling. Dit komt de hoogwaterveiligheid ten goede.

Ecologie Ander effect van langsdammen is de positieve ecologische ontwikkeling in de oevergeul. Een vergelijking van getraceerde soorten in de oevergeul en in de traditionele kribvakken toont een enorm verschil in het voordeel van de oevergeul. Zelfs over het geringe aantal jaren sinds oplevering van de kale oevergeulen

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

23

WAT IS EEN LANGSDAM?

zijn inheemse vissen, schelpdieren en insectenlarven zowel in soortenaantal als aantal individuen enorm toegenomen. Dit is te danken aan verschillende factoren, waaronder afscherming voor scheepsgeluid en -golven. De laatste zorgen met name in kribvakken voor een ongunstig habitat voor veel soorten.

Gebleken is dat stroming tot de drempel goed wordt beschreven door een potentiaalmodel, waarbij bodemruwheid geen rol speelt. Met dat gegeven als uitgangspunt zijn meer experimenten mogelijk om de ecologische bloei in de oevergeul extra te stimuleren.

Als de effecten op de stroming ook in een veldstudie minimaal blijken, kan dat habitatverrijking teweegbrengen.

Een positieve ecologische ontwikkeling van de oever­zone kan een positieve bijdrage leveren aan de ­landschappelijke beleving. Bij het ontwerp van de langsdammen is zo veel mogelijk rekening gehouden met natuurlijke zichtlijnen en landschapskarakteristieken. Dit en het repeterende kribbenpatroon aan de overliggende oever zorgen dat de rivier zijn landschappelijke functie blijft vervullen, ondanks dat de beleving deels verandert.

Conclusie Het instelbereik van langsdammen op de afvoeren sedimentverdeling tussen hoofd- en oevergeul bij waterstanden onder de kruin van de langsdam is aanzienlijk. De systeemwijziging, waarvoor nu met een prototype proeven zijn uitgevoerd, heeft de potentie om op grotere ruimtelijke schaal invloed uit te oefenen op de bodemligging. Samen met de positieve effecten van langsdammen op o.a. ecologie, scheepvaart, laagwaterstanden en hoogwaterveiligheid, maakt dit dat het systeem van langsdammen en oevergeulen een waardevolle aanvulling vormt voor het scala aan rivierbeheersmaatregelen. Voor toepassing van langsdammen in andere rivieren, met andere eigenschappen en hydraulische randvoorwaarden, zal echter wel uitvoerig integraal onderzoek nodig zijn.

Timo V. de Ruijsscher (Wageningen University ten tijde van onderzoek, nu Rijkswaterstaat), Suleyman Naqshband, Bart Vermeulen, A.J.F. (Ton) Hoitink (Wageningen University)

DECEMBER 2020

Een langsdam is een harde structuur in de rivier, bedoeld als aanpassing van het normalisatiesysteem in het zomerbed. Doel is om de hoofdgeul te ontdoen van kribben en te scheiden in twee parallelle langsgeulen, door middel van een langsdam. Een langsdam in een rivier scheidt de hoofdgeul van een oevergeul, die altijd in de binnenbocht is gepositioneerd. Tijdens periodes van hoog water staat de gehele langsdam onder water, iets wat voor het prototype van de pilot in de Waal ongeveer 100 dagen per jaar het geval is. Hoofd- en oevergeul zijn behalve bovenen benedenstrooms ook verbonden door tussenopeningen (onderwaterdammen van breuksteen op een of meerdere plekken over de lengte van de langsdam), die in meer of mindere mate kunnen worden opengezet. In de huidige pilot staan alle tussenopeningen volledig dicht. Afhankelijk van de toekomstig rivierafvoeren en wensen vanuit het integraal rivierbeheer, kan dit wijzigen.

Referenties van Aalderen, R., F. Bosman, F.P.L. Collas, H. Eerden, R. Engel, H. Heerdt, A.J.F. Hoitink, R.S.E.W. Leuven, L. van ­Toorenburg, C.F. van der Mark, E. Mosselman, F. de Visser & L.N.H. ­Verbrugge (editor) (2019). WaalSamen: Samen werken aan duur­ zaam leven met water. Enschede: University of Twente. https:// research.utwente.nl/en/publications/waalsamen-workingtogether-for-sustainable-living-with-water.

Eerden, H., E. van Riel, R. de Koning, E. Zemlak & N. Aziz (2011).

Integraal ontwerp pilot langsdammen Waal. Rijkswaterstaat Oost-Nederland, Arnhem. de Ruijsscher, T.V. (2020). Aligned with the flow – morpho­ dynamics in a river trained by longitudinal dams. PhD thesis, Wageningen University. doi:10.18174/503236.

SAMENVATTING Langsdammen met bijbehorende oevergeulen vormen een innovatieve aanpassing van het normalisatiesysteem in het zomerbed van de rivier.

Tijdens een uitgebreide pilotstudie in de Waal is onderzocht wat de effecten zijn op stromingspatronen, morfologie, en sturing daarvan. Dit is onderzocht met een combinatie van een uitgebreide meetcampagne in de Waal en fysische schaalexperimenten aan de WUR. De resultaten laten een complex stromingspatroon zien bij de instroom van de oevergeul achter de langsdam, maar ook een groot instelbereik voor de wateren sedimenthuishouding. Belangrijke voordelen worden ook behaald voor de scheepvaart, door een toename van de diepte tijdens periodes met lage waterstand, en voor de ecologische waarde van het gebied, die toeneemt achter de langsdam.

Morfodynamische effecten langsdammen

24

WATER MATTERS

AUTEURS

Leonard Osté (Deltares)

HOE WERD DE AANPASSING VAN DE PFAS-TOEPASSINGSNORMEN ONDERBOUWD? Arjen Wintersen (RIVM)

Er is veel maatschappelijke onrust geweest vanwege sterke restricties aan het hergebruik van grond en bagger door de aanwezigheid van poly- en perfluor­alkylstoffen (PFAS). Het tijdelijk handelingskader van juli 2019 bood ­onvoldoende oplossing. In stappen (november 2019, juli 2020) zijn daarop ­normen nader ingevuld, zodat hergebruik nu weer grotendeels mogelijk is.

Onder grote tijdsdruk hebben RIVM en Deltares grenswaarden afgeleid om dit mogelijk te maken. Dit artikel gaat in op de achterliggende onderzoeken en analyses achter de nieuwe PFAS-normen.

Het toepassen van grond en bagger in oppervlaktewater is gereguleerd in het Besluit en de Regeling bodemkwaliteit (Bbk en Rbk). Dat besluit is vooral gericht op een snelle en routinematige toets om te bepalen of het toepassen van grond en bagger milieuverantwoord is en of er geen sprake is van achteruitgang in de (water)bodemkwaliteit. Het routinematige karakter uit zich onder meer in een vastgestelde stoffenlijst en generieke normen.

PFAS, een verzamelnaam voor meer dan 6.000 stoffen waarin onder andere een combinatie van fluorverbindingen en alkylgroepen voorkomen, kwamen niet op de stoffenlijsten voor, terwijl perfluoroctaansulfonzuur (PFOS) inmiddels wel een prioritaire stof was geworden in de Kaderrichtlijn Water. Het Bbk voorziet niet in een eenvoudige optie voor het toevoegen

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

25

Trends van gemiddelde PFAS-gehalten in het zwevend stof in de rijkswateren

1) In een verdeling ligt 95 % van de waar­ nemingen onder de P95-waarde. De achtergrondwaarden vormen daarmee een indicatie van de bovenkant van de concentraties die in onverdacht gebied kunnen worden aangetroffen. De keuze voor een P80 resulteert in een lagere waarde.

van nieuwe stoffen. Wel geldt er een zorgplicht, ook in situaties waarin geen specifiek wettelijk voorschrift wordt overtreden. Na enkele incidenten (Schiphol, Chemours) werd meer onderzoek gedaan naar PFAS. Daaruit bleek dat deze stoffen niet incidenteel maar diffuus verspreid voorkwamen.

Vanuit de zorgplicht werd daarom gesteld dat ­hergebruik van grond en bagger alleen mogelijk was als daarin geen PFAS konden worden aangetoond.

Een besluit met grote consequenties, het grondverzet stagneerde. Om invulling te geven aan de zorgplicht werd in juli 2019 de eerste versie van het Tijdelijk handelingskader (THK) PFAS gepubliceerd. Door gebrek aan kennis bleef de bepalingsgrens (0,1 µg/ kg) de bovengrens voor de meeste toepassingen in oppervlaktewater. De stagnatie was daarmee niet opgelost.

Daarom is het THK stapsgewijs in november 2019 en in juli 2020 gewijzigd. Zo is op basis van aanvullend onderzoek en beleidsmatige ontwikkeling gewerkt aan verantwoorde verruiming van de toepassings­normen.

Dit artikel gaat in op de studies die zijn gebruikt als onderbouwing van de aanpassingen. Het gaat om het bepalen van: 1. de nieuwe achtergrondwaarde (AW) landbodem (Wintersen et al., 2020a), 2. een ­herverontreinigingsniveau (HVN) in de rijks­wateren (Osté et al., 2019), 3. een HVN in regionale wateren (Osté, 2020) en 4. de verschillen in uitloging van PFAS uit grond en bagger (Wintersen et al., 2020b).

Achtergrondwaarde landbodem Toen eenmaal bekend was dat PFAS landelijk dif­ fuus in de land- en waterbodem voorkwamen, was

DECEMBER 2020

daarmee ook duidelijk dat er voor deze groep stoffen achtergrondwaarden vastgesteld dienden te worden, zoals in het verleden ook voor andere diffuus voorkomende stoffen in de bodem is gedaan (Lamé et al. 2004). Om zo snel mogelijk over deze waarden te kunnen beschikken is de ongebruikelijke stap gezet om tijdelijke achtergrondwaarden te bepalen op basis van tot dan toe beschikbare data.

Op deze manier was het mogelijk om al eind 2019 voorlopige of tijdelijke achtergrondwaarden voor twee PFAS-verbindingen, namelijk PFOS en PFOA (0,9 en 0,8 µg/kg), te bepalen. Omdat niet uit te sluiten is dat de aangeleverde monsters toch belast zijn, werd ervoor gekozen om de tijdelijke achtergrondwaarden niet als de gebruikelijke 95-percentielwaarde (P951 ) van concentraties te bepalen, maar als een voorzichtere P80.

Medio 2020 zijn de definitieve achtergrondwaarden gepubliceerd op basis van een nieuw landsdekkend bodemonderzoek (Wintersen et al., 2020a). Omdat dit onderzoek uitsluitend is uitgevoerd op zorgvuldig geselecteerde landbouw- en natuurlocaties, kon ditmaal de P95 worden gebruikt. Dit zorgde voor een verruiming ten opzichte van de tijdelijke achtergrondwaarden voor PFOS en PFOA (1,4 en 1,9 µg/kg).

Verder bleek dat geen andere (van de 30 geanalyseerde) PFAS-verbindingen structureel werden gevonden in de landbodem.

In 2007 is besloten dat de Achtergrondwaarde landbodem (de ‘altijd schoon’ grens) ook gold voor de waterbodem. Doorgaans lag de Achtergrondwaarde onder het Herverontreinigingsniveau (HVN), maar voor PFOA bleek dit niet geval. Daarom is de AW

Hoe werden de PFAS-normen onderbouwd?

24

26

WATER MATTERS

Relatie tussen PFOS in de vaste fase (bodem, uiterwaardegrond en sediment) en PFOS in de vloeistoffase van een schudtest

landbodem voor PFAS niet van toepassing verklaard op de waterbodem.

Herverontreinigingsniveau (HVN) rijkswateren Omdat het standstill-beginsel een belangrijke pijler is van het Besluit bodemkwaliteit, speelt het HVN Rijntakken een belangrijke rol. Het is van toepassing verklaard op heel Nederland, dus ook in de regionale wateren en in de andere Nederlandse stroomgebieden. Het HVN Rijntakken, dat wordt berekend door het 95-percentiel te bepalen van 10 jaar zwevendstofkwaliteit op meetstation Lobith, waar de Rijn ons land binnenkomt. PFAS werden echter niet gemeten in zwevend stof. Toen het debat over PFAS ontstond, heeft RWS PFAS (een analysepakket van 30 stoffen) op 20 meetpunten in de rijkswateren toegevoegd aan het analysepakket.

Op basis van deze metingen is het tijdelijke HVN rijkswateren voor PFAS bepaald. Er is gekozen voor een 80-percentiel, omdat er geen 10-jarige reeks beschikbaar was, vergelijkbaar met het percentiel dat voor de tijdelijke achtergrondwaarden land­ bodem is gekozen. Voor PFOS is afgeweken van die regel, omdat uit de historische metingen bleek dat er sprake was van een neerwaartse trend (figuur 1).

De gebruikte dataset bevat al relatief lage gehalten vergeleken met een 10-jarige reeks. De voorzorg van een 80-percentielwaarde zou leiden tot ‘dubbele voorzorg’. Daarom is voor PFOS gekozen voor een 95-percentiel.

Bovengenoemde methodiek resulteerde uiteindelijk in een HVN voor PFOS van 3,7 µg/kg. In tegenstelling tot de landbodem, worden er in waterbodems wel

structureel ook andere PFAS dan PFOS en PFOA aangetroffen. Deze PFAS-verbindingen lagen allemaal onder 1 µg/kg. De hoogste van die ‘overige’ (EtFOSAA: 0,8 µg/kg) is van toepassing verklaard op alle overige PFAS. HVN regionale wateren Sinds de inwerkingtreding van het Bbk heeft het verondiepen van diepe plassen een grote vlucht genomen, ook in regionale wateren (vaak niet verbonden met ander oppervlaktewater). Daarvoor geldt de maximale waarde klasse A (HVN Rijntakken) als generieke norm. De vraag was dus of het HVN rijkswateren voor PFAS ook geschikt was voor plassen buiten de rijkswateren. Op basis van een databestand van PFAS in regionale waterbodems bleek dat het HVN rijkswateren hoger dan de waterbodemkwaliteit in de regionale wateren.

Het HVN rijkswateren zou geen stand still ­garanderen in regionale wateren en werd daarom eind 2019 alleen van toepassing verklaard op plassen in directe verbinding met de rijkswateren waar reeds met verondieping was gestart. Om ruimte te bieden aan gestarte verondiepingen van regionale plassen is in voorjaar 2020 voorgesteld om daarvoor een HVN voor regionale wateren af te leiden op basis van water­ bodemdata en niet op basis van zwevendstofkwaliteit.

Om verschillende redenen is ook in dit geval een 80-percentiel van alle data gebruikt.

Uitloging van PFAS uit grond en bagger De aanpassing van de normen voor het verondiepen van diepe plassen in verbinding met de rijkswateren

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

in november 2019 was beperkt tot het verondiepen met bagger, niet met materiaal afkomstig van de landbodem. Deze beperking kwam voort uit de veronderstelling dat de mobiliteit van PFAS verschillend zou kunnen zijn in droge bodems, die belast worden door luchtdepositie, en natte waterbodems die blootgesteld worden aan directe lozingen op oppervlaktewater en zuurstofarme condities hebben.

In het voorjaar van 2020 is onderzoek gedaan naar het uitlooggedrag van PFAS. Er zijn drie keer 40 monsters onderzocht van de categorieën landbodem, uiterwaardebodem en waterbodem (bagger). De bodems zijn 24 uur geschud in een verhouding van 1 (vaste grond) op 10 (vloeistof) conform ISO 21268.

De vaste fase en de waterfase zijn vervolgens onderzocht op dezelfde PFAS verbindingen. Uit het onderzoek bleek voor PFOS en PFOA, dat de mate van uitloging uit grond niet groter is dan die uit waterbodem of uiterwaardebodem (figuur 2). Er is geen duidelijke relatie aangetroffen tussen de uitloging en bodemkenmerken zoals pH, lutum en DOC. Er werd een zwakke relatie aangetroffen tussen organische stof en de uitloging.

Blik vooruit Het tijdelijk handelingskader van juli 2020 is niet de laatste actualisatie. Momenteel wordt gewekt aan een update van het HVN rijkswateren, omdat er in 2020 nieuwe data in zwevendstof zijn verzameld. Ook wordt gewerkt aan PFAS-beleid in bagger die verspreid wordt op zee. Als laatste wordt gekeken of er een bovengrens voor toepassen kan worden vastgesteld, vergelijkbaar met de maximale waarde klasse B. Daarnaast heeft PFAS een aantal discussies opgeleverd die ook andere stoffen raken. Ten eerste kan van het PFAS-dossier worden geleerd hoe we in de toekomst nieuwe stoffen moeten aanpakken. Voorts is het de vraag of een HVN regionale wateren ook voor andere stoffen zou moeten gelden en vraagt afstemming van het grondverzet met de Kaderrichtlijn Water nadere aandacht. Dergelijke discussies vragen tijd en zullen niet binnen het definitieve handelingskader PFAS worden opgelost.

Leonard Osté (Deltares) en Arjen Wintersen (RIVM)

DECEMBER 2020

27

Referenties Lamé, F. P. J., Brus, D. J., & Nieuwenhuis, R. H. (2004). Achtergrondwaarden 2000. Hoofdrapport AW2000 fase 1.

Osté, L., I. van Tol, R. Berbee, W. Altena, 2019. Advies voorlopig herverontreinigingsniveau (HVN) PFAS voor waterbodems voor het toepassen en verspreiden van baggerspecie in oppervlaktewater. Deltares-rapport 11203697-018-BGS-0001.

Osté, L. 2020. Herverontreinigingsniveau PFAS in bagger uit regionale wateren. Deltares memo 11205535-006.

Wintersen, A., J. Spijker, P. van Breemen, H. van Wijnen, P. Otte 2020a. Landelijke achtergrondwaarden bodem voor PFOS en PFOA. RIVM-rapport 2020-0100.

Wintersen, A. Osté, L., R. van der Meiracker, P. van Breemen, G. Roskam, J. Spijker, 2020b. Verschil in uitloging van PFAS uit grond en bagger. RIVM-rapport 2020-0102.

SAMENVATTING Na enkele incidenten (Schiphol, Chemours) werd onderzoek gedaan naar poly- en perfluoralkylstoffen (PFAS). Het bleek dat deze stoffen niet incidenteel maar diffuus verspreid voorkwamen.

PFAS kwamen evenwel niet voor op de stoffen­ lijsten van het Besluit bodemkwaliteit. Op grond van de zorgplicht werd daarom bepaald dat grond en bagger alleen toepasbaar waren als daarin geen PFAS kon worden aangetoond. In het t­ ijdelijk handelingskader is stapsgewijs met behulp van tijdelijke normen nader invulling gegeven aan de zorgplicht, zodat grond- en baggerverzet nu weer grotendeels mogelijk is. Dit artikel gaat in op de achterliggende onderzoeken die gebruikt zijn voor de onderbouwing van deze normen. Het gaat om het bepalen van: 1. de nieuwe achtergrondwaarde (AW) landbodem, 2. een herverontreinigingsniveau (HVN) in de rijkswateren, 3. een HVN in regionale wateren en 4. de verschillen in uitloging van PFAS uit grond en bagger. Tenslotte wordt gekeken naar toekomstige ontwikkelingen van het normenbouwhuis voor toepassen van grond en bagger in oppervlaktewater.

Hoe werden de PFAS-normen onderbouwd?

28

WATER MATTERS

AUTEURS

Tim van Dijk en Patrick van der Wens (Brabant Water)

VERBETERDE ARSEEN­ VERWIJDERING: ­STRATEGIE, ­TECHNOLOGIEONTWIKKELING EN OPERATIONELE ­RESULTATEN Brabant Water spant zich sinds 2013 in om de arseenverwijdering bij de grondwaterzuiveringen te verbeteren tot < 1 µg/l in het drinkwater. Verwijdering met Advanced Oxidation Coagulation Filtration (AOCF) met NaMnO4-­dosering is ­efficiënt maar heeft operationele nadelen. Op de waterproductielocatie ­Prinsenbosch werd gezocht naar een beter alternatief.

Strategie Arseen (As) is een zeer giftig element dat van nature voorkomt in grondwaterbronnen. De Nederlandse drinkwaterstandaard voor As is gelijk aan de WHO-richtlijn: < 10 µg/l. Sinds 2008 is deze norm echter onderwerp van discussie in de Nederlandse drinkwatersector – hij zou te hoog zijn. Onderzoek toonde aan dat de gezondheidsbaten van verdergaande

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

29

Tabel 1. Operationele resultaten van het pilotonderzoek; operationele kosten (chemicaliën, spoelwaterverlies en slibverwerking) omgerekend naar praktijkschaal

v­ erwijdering van arseen (tot < 1 µg/l) aanzienlijk hoger waren dan de kosten ervan. Als gevolg hiervan heeft Brabant Water in 2013 een interne doelstelling van < 1 µg/l vastgesteld en een Masterplan As-verwijdering ontwikkeld, met onderzoek, technologieontwikkeling en kostenberekeningen, om As-verwijdering te verbeteren bij zes van zijn waterproductiebedrijven (WPB's). Ondertussen ging de discussie over arseen verder en dit leidde in 2016 tot een landelijke voorzorgrichtlijn van de VEWIN van < 1 µg/l.

Technologieontwikkeling Uit de literatuur was Advanced Oxidation Coagulation Filtration (AOCF) bekend om arseen te verwijderen.

De kern van deze methode is het toevoegen van een oxidator (NaMnO4) om As3+ te oxideren naar As5+ in de bestaande grondwaterzuivering (beluchting-snelfiltratie). Het As5+ kan vervolgens in de snelfilters verwijderd worden door adsorptie aan ijzer(oxide) hydroxides. Afhankelijk van de verhouding arseen/ ijzer in het grondwater moet aanvullend ook Fe(III) gedoseerd worden om een arseengehalte < 1 µg/l te behalen. AOCF werd in eerste instantie geselecteerd en na uitgebreid onderzoek in 2016 geïmplementeerd bij WPB Dorst (met NaMnO4 en FeCl3 dosering) en een jaar later in WPB Prinsenbosch (enkel NaMnO4 dosering).

Arseen werd met deze methode effectief verwijderd, maar in de praktijk werden enkele operationele nadelen ondervonden, zoals kortere filterlooptijd, doorbraak van deeltjes en slechte indikking van het spoelwaterslib.

Daarom ging in 2018 een onderzoek van start om een alternatief te vinden met minder negatieve effecten

DECEMBER 2020

op de operationele aspecten. Dit onderzoek vond plaats op WPB Prinsenbosch, eerst op pilot-schaal, daarna ook op praktijkschaal.

In de pilot werden vier varianten met elkaar vergeleken: geen dosering (dus de oude situatie zonder As-verwijdering) en dosering van respectievelijk NaMnO4, Fe(III), en Fe(II) in de vorm van FeCl2.

Uit recent onderzoek was namelijk gebleken dat het As3+ in de filters biologisch wordt omgezet in As5+, zodat het mogelijk niet nodig zou zijn om een oxidator als NaMnO4 te doseren. De hypothese hierbij was verder dat de arseenverwijdering niet alleen verbeterd zou worden door de hogere Fe/As verhouding, maar ook doordat het Fe(II) dieper in het filter zou doordringen dan Fe(III). Daarnaast was de gedachte dat dosering van Fe(II) een vergelijkbaar proces zou opleveren als de traditionele grondwaterfiltratie. Hierbij wordt immers Fe(II) uit het grondwater verwijderd met langere looptijden, minder doorbraak van deeltjes en betere indikking van het spoelwaterslib.

Uit het pilot-onderzoek Prinsenbosch bleek inderdaad dat dosering van alleen Fe(II) het As tot < 1 µg/l verwijdert. Het onderzoek bevestigt dat het Fe(II) in het filter verwijderd werd in de vorm van ijzer(hydr) oxides, waaraan het arseen adsorbeerde. Niet alleen werd het arseen vergaand verwijderd, maar ook werden de operationele nadelen van AOCF grotendeels ondervangen. In vergelijking met AOCF waren de filterlooptijden significant langer, trad er geen doorbraak van deeltjes op en was de indikking van het spoelwaterslib veel beter (factor 3-4).

Op de pilot volgde een onderzoek op praktijkschaal, ook in Prinsenbosch, waarin de bestaande dosering van NaMnO4 in één filterstraat vervangen werd door

Verbeterde arseenverwijdering ­grondwater

28

30

WATER MATTERS

Afbeelding 1. Bovenwaterstand (een maat voor de filterweerstand) (m H2O, oranje) en troebelheid in het filtraat (NTU, blauw) van de pilotinstallatie bij de vier onderzochte doseringen; spoelen (Δp) = spoelen vanwege te hoge filterweerstand

een dosering van Fe(II). De resultaten kwamen overeen met die van het pilot-onderzoek.

De resultaten van het pilot-onderzoek zijn samen­ gevat in tabel 1. De operationele kosten van chemicaliën, spoelwaterverlies en slibverwerking zijn hierbij berekend voor de praktijkinstallatie.

De resultaten laten zien dat alle drie de g ­ eteste chemicaliën arseen verwijderen tot < 1µg/l. In vergelijking met de situatie zonder arseenverwijdering/dosering wordt de filterlooptijd (de tijd waarna spoelen noodzakelijk is) in alle gevallen korter. Met Fe(II) blijft hij echter aanzienlijk langer dan met Fe(III) en NaMnO4, waardoor het spoelwaterverbruik ook beduidend minder is. Bovendien treedt geen doorslag van deeltjes op en is filterweerstand de reden om te spoelen.

De effecten op de filtratie zijn ook te zien in afbeelding 1.

De afbeelding laat zien dat de filterweerstand bij dosering van Fe(III) en NaMnO4 veel sneller oploopt

dan bij dosering van Fe(II). Vooral in vergelijking met Fe(III) valt dat op, aangezien er bijna een factor twee meer Fe gedoseerd wordt. Ook is de gevoeligheid voor doorslag van troebeling bij Fe(III) en NaMnO4 veel groter dan bij Fe(II) en is het spoelcriterium daar soms ook doorslag en niet weerstand.

Naast de voordelen met betrekking tot de filtratie, verloopt ook de indikking van het slib aanzienlijk ­beter bij dosering van Fe(II). Deze is zelfs vergelijkbaar met de oude situatie, zonder dosering. Ten slotte zijn ook de kosten van de dosering en de slibverwerking een stuk lager.

Het gunstige effect van de dosering van FeCl2 op de operationele resultaten is te verklaren doordat de ­ijzer(oxide)hydroxides die gevormd worden bij dosering van Fe(II) veel compacter zijn dan de afzettingen die ontstaan bij AOCF (Fe(III)/NaMnO4). Dit hangt waarschijnlijk samen met de structuur van de gevormde afzettingen. Uit de literatuur is bekend dat bij aanwezigheid van Fe(III) in de waterfase snel amorfe en weinig compacte vlokken gevormd worden.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Bij dosering van Fe(II) worden de ijzer(oxide)­ hydroxides katalytisch gevormd als afzettingen op de filterkorrels (ook wel aangeduid als adsorptieve ­ontijzering), die veel compacter zijn en vergelijkbaar met de normale afzettingen bij grondwaterfilters.

Referenties Ahmad et al. (2014). Advanced oxidation-coagulation-­filtration (AOCF) – an innovative treatment technology for targeting ­drinking water with < 1 µg.L-1 of arsenic.

Operationele resultaten in de full scale praktijk Op basis van het onderzoek bij WPB Prinsenbosch heeft Brabant Water het Masterplan As-verwijdering aangepast: het bedrijf gaat dosering van Fe(II) bij de zes relevante WPB’s (arseenconcentratie > 1 ug/l) toepassen. In april 2019 is de dosering van Fe(II) al geïmplementeerd bij WPB Prinsenbosch en de resultaten zijn zelfs beter dan verwacht. Het filtratieproces blijkt zeer robuust (geen doorslag, ook niet bij snelheidswisselingen) en de looptijden van de snelfilters zijn momenteel in de orde van 120 uur.

Hierbij kan nog opgemerkt worden dat de looptijd in de oude situatie met AOCF (Fe(III)/NaMnO4-dosering) maar 55 uur bedroeg.

Na WPB Prinsenbosch is de Fe(II) dosering getest bij WPB Dorst. Hier kon de dosering van Fe(III) en ­NaMnO4 vervangen worden door alleen Fe(II), met dezelfde operationele voordelen als in Prinsenbosch.

Momenteel wordt de ombouw bij Dorst gerealiseerd.

Na uitvoerig onderzoek op zowel pilot en praktijkschaal, staat nu voor 2021 ook de invoering bij WPB Oosterhout in de planning en voor 2022 bij WPB Tilburg.

Bij de WPB’s Welschap en Eindhoven ligt de arseenconcentratie in het reine water maar net boven de 1 ug/l. Op deze locaties wordt onderzocht hoe de bedrijfsvoering zodanig geoptimaliseerd kan worden dat een As-concentratie van < 1 µg/l wordt bereikt zonder aanvullende chemicaliëndosering. Op WPB Welschap loopt een onderzoek waarbij de zandfractie van het voorfilter wordt vergroot met grover zand. Het van nature aanwezige Fe(II) kan daardoor dieper in het filterbed komen en daar geoxideerd As5+ adsor­beren, en zo het rendement van de arseenverwijdering verhogen. De eerste resultaten zijn hoopgevend.

Beek, C.G.E.M. van, et al. (2012) Homogeneous, ­heterogeneous and biological oxidation of iron(II) in rapid sand filtration.

Journal of Water Supply: Research and Technology—AQUA 2012 61.1.

Tim van Dijk, Patrick van der Wens (Brabant Water)

DECEMBER 2020

31

Bakker, S. A., et al. (2008). Arseen in drinkwater, niet alleen probleem voor Bangladesh, H2O(16): 18-21.

Dijk, Tim van, (2018) Assessment of Fe(II), Fe(III) and ­NaMnO4 dosing for As removal at WPB Prinsenbosch, MSc-thesis TU Delft.

Gude, J.C.J. , et al.(2018). Biological As(III) oxidation in rapid sand filters. Journal of Water Process Engineering.

Wens, P. van der, et al. (2016). Arsenic at low ­concentrations in Dutch drinking water: assessment of removal costs and health benefits, Sixth International Congress on Arsenic in the E ­ nvironment (As2016): Arsenic Research and Global ­Sustainability., Stockholm, Sweden, CRC Press.

SAMENVATTING Brabant Water probeert al sinds 2013 de arseen­ verwijdering te verbeteren tot < 1 µg/l. Dat lukte met Advanced Oxidation Coagulation Filtration (AOCF), maar in de praktijk deden zich operationele nadelen voor, zoals verminderde filterlooptijd, doorbraak van deeltjes en slechte indikking van het spoelwaterslib.

In 2018 is gestart met onderzoek om een geschikter alternatief te vinden. Na pilot- en full-scale onderzoeken op de productielocatie Prinsenbosch bleek dat ook dosering van Fe(II) arseen verwijdert tot < 1 µg /l en bovendien niet de operationele de ­nadelen van AOCF heeft. Inmiddels wordt gefaseerd op alle relevante productielocaties van Brabant Water Fe(II)-dosering ingevoerd.

Verbeterde arseenverwijdering ­grondwater

32

WATER MATTERS

AUTEURS

Martine Kox en Sacha de Rijk (Deltares)

Wouter van der Star (Deltares)

Sebastiaan Schep (Witteveen+Bos)

Marcel Klinge (Witteveen+Bos)

BETERE WATERKWALITEIT GEEFT LAGERE UITSTOOT VAN BROEIKASGASSEN Nederland rapporteert jaarlijks haar broeikasgasemissies volgens de richtlijnen van het IPCC, de internationale organisatie die de uitvoering van het Verdrag van Parijs en de Kyoto Protocollen coรถrdineert. In die rapportages wordt de uitstoot van broeikasgassen uit oppervlaktewater niet meegenomen, terwijl die kan oplopen tot wel 5 procent van het totaal. Deltares en Witteveen+Bos onderzochten voor vier grote meren de uitstoot van broeikasgassen en of er een verband is met de waterkwaliteit. Ook ontwikkelden ze een eerste prototype van een model voor waterbeheerders.

In 2019 is een calculatiemethode gepubliceerd voor het meenemen van emissies uit oppervlaktewater. Dat is relevant voor Nederland, want we zijn een waterland: ruim 18 procent van ons land bestaat uit open water (7422 km2), waarvan een derde bestaat uit grote meren (> 50 ha). Meenemen van het Nederlands oppervlaktewater in de berekeningen zal leiden tot een hogere gerapporteerde uitstoot.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

De uitstoot van broeikasgassen uit aquatische systemen varieert wereldwijd sterk, van netto opname tot een jaarlijkse netto uitstoot tot wel 90 ton CO2-equivalenten per hectare (Webb et al. 2019). In Nederland kunnen oppervlaktewateren grof geschat 2,4 tot 5 procent bijdragen aan de totale Nederlandse broeikasgasemissie en mogelijk zelfs meer. Onderzoek naar de daadwerkelijke emissies en de relatie met systeemkenmerken en milieuparameters is dan ook hard nodig. Uiteindelijk doel is een methode voor bepaling van emissies uit oppervlaktewater die voldoet aan de internationale eisen én wetenschappelijk voldoende betrouwbaar is. Ook willen steeds meer waterbeheerders de emissies van broeikasgasemissies uit aquatische systemen kunnen inschatten.

Hierbij is ook de behoefte aan handelingsperspectief groot.

Balans Of een ondiepe plas de broeikasgassen CO2 en/of methaan (CH4) uitstoot hangt af van de balans tussen koolstofvastlegging en koolstofafbraak. In veel ecosystemen is er een hoge koolstofafbraak en netto uitstoot van broeikasgas. Oppervlaktewateren kunnen juist koolstof vastleggen in de vorm van opgehoopte, niet-afgebroken biomassa. Met name bij weinig koolstofafbraak kan er sprake zijn van netto-vastlegging, oftewel een koolstof-sink. Moerasgebieden (wetlands) hebben de potentie om veel koolstof vast te leggen.

Vooral de natte, zuurstofarme en zure condities remmen de koolstofafbraak sterk af. Moerassen en venen die nat genoeg zijn kunnen op die manier veel koolstof vastleggen en daarmee een positieve bijdrage leveren voor het klimaat.

Methaanvorming leidt bijna altijd tot een netto emissie van broeikasgassen, vanwege het veel sterkere broeikaseffect van methaan ten opzichte van CO2.

Wel kan methaan uit de waterbodem in de water­ kolom diffunderen, en daar (microbieel) worden omgezet in CO2 (methaanoxidatie). Als methaan via bellen door de waterkolom naar de atmosfeer ontsnapt (ebullitie) is deze oxidatie nihil.

DECEMBER 2020

33

De variatie in broeikasgasemissies uit oppervlaktewateren is zeer groot, vooral doordat oppervlaktewateren sterk kunnen verschillen in eutrofiëring, de hoeveelheid organisch koolstof (saprobiëring), temperatuur en ecologische toestand. Waarschijnlijk nemen de broeikasgasemissies uit ondiep oppervlaktewater in de toekomst toe door temperatuurstijging. De primaire productie gaat dan omhoog en de microbiële koolstofafbraak neemt toe.

Waterkwaliteit en broeikasgasemissies Gezamenlijk hebben Witteveen+Bos en Deltares zich gestort op de vraag hoe de waterkwaliteit (o.a. uitgedrukt in nutriënten en organisch koolstof) invloed heeft op de broeikasgasbalans van ondiepe plassen.

In mei 2019 voerden we metingen uit op materiaal uit vier ondiepe plassen die waren geselecteerd op basis van waterkwaliteit: Loenderveense plas (Water­ schap Amstel, Gooi en Vecht), Dobbeplas (Hoogheemraadschap van Delfland), Wormer- en Jisperveld (Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier) en Oostmadeplas (Hoogheemraadschap van Delfland).

Deze plassen verschillen met name in fosfaatbelasting: die is hoog in het Wormer- en Jisperveld en in de Oostmadeplas (respectievelijk 6,6 en 10 mg P/m2/d) en laag in de Loenderveense plas en de Dobbeplas (resp. 0,5 en 0,2 mg P/m2/d). Verder is bekend dat de belasting met organisch materiaal alleen in het Emissie broeikasgassen uit Wormer- en Jisperveld hoog is (de precieze omvang oppervlaktewater is onbekend).

We verzamelden van elke plas vijf slibkolommen, en bepaalden in het lab de totale productie van CO2 en methaan van deze kolommen gedurende 4 weken.

Deze kolomproeven meten de netto potentie voor broeikasgasuitstoot of -opname. Individuele processen die hieraan bijdragen zijn niet geanalyseerd.

De gemeten emissies geven dus alleen een indicatie van de potentiële uitstoot van het systeem. Dit zal afwijken van de daadwerkelijke emissies in het veld.

De emissies uit de vier plassen laten zien dat bij een goede waterkwaliteit (o.a. lage P- en organische stofbelasting) de broeikasgasemissie laag is (zie

32

34

WATER MATTERS

Afbeelding 1. Potentiële broeikasgasemissie (in mg CO2-equivalent/m2/dag) voor de Loenderveense plas, de Dobbeplas, het Wormer- en Jisperveld en de Oostmadeplas

afbeelding 1). Daarnaast is te zien dat wanneer de waterkwaliteit slecht is (veel P en organische stof), de broeikasgasemissie wel een factor 10 hoger kan zijn.

Dit verschil is met name te wijten aan de hoge uitstoot van methaan. De bijdrage van methaan aan de geschatte potentiële emissie is mede zo hoog doordat methaan een 28 tot 36 keer sterker broei­kasgas is dan CO2. Emissies van lachgas (ruim 250 keer zo sterk als CO2) zijn niet gemeten.

Tool om emissies in te schatten Om broeikasgasemissies in te kunnen schatten en te relateren aan de waterkwaliteit is een prototype ­model ontwikkeld genaamd ‘BlueCan’. Met deze tool kan een eerste inschatting van de jaarlijkse uitstoot van broeikasgassen uit meren en plassen worden ­verkregen. Dit instrument is gebaseerd op de veel toegepaste modellen PCLake (Janse, 2005) en Delwaq (Los, 2009) en getoetst aan de hand van metingen in de vier praktijkcases. Aan de hand van systeem­kenmerken als waterdiepte, bodemtype en ­nutriëntenbelasting wordt de jaarlijkse emissie in CO2-equivalenten berekend evenals de aandelen van CO2 en methaan. Hiermee kunnen waterbeheerders hotspots identificeren bij ondiepe meren en plassen en kunnen zij het effect van nutriëntenreductie op de emissie bepalen. Belangrijke kanttekening is dat dit instrument in de huidige vorm (nog) geen rekening houdt met de directe input van organisch koolstof, zoals uitspoeling van deeltjes uit (veen)percelen of invallend blad. Indien dit in een plas een belangrijke bron van koolstof is, wordt de emissie dus onderschat.

De betrouwbaarheid is getest door de modelresul-

taten te vergelijken met de resultaten van de kolomproef (afbeelding 1). Het model laat dezelfde trend zien als de kolomproeven: plassen met een lage P-belasting (Loenderveense Plas en Dobbeplas) laten de laagste broeikasgasemissie zien, terwijl plassen met een hoge P-belasting een hoge uitstoot laten zien. Ook hier is de hoge uitstoot met name te wijten aan toename van het aandeel methaan.

Betere waterkwaliteit, lagere broeikasgasemissie Maatregelen voor een betere waterkwaliteit l­ ijken effectief om de uitstoot van broeikasgassen te reduceren. In deze studie is de broeikasgasemissie uit ­wateren met een goede waterkwaliteit tot een factor tien lager dan uit wateren met een slechte water­kwaliteit. Hoe slechter de waterkwaliteit (veel ­nutriënten, veel organisch koolstof) hoe hoger de uitstoot van broeikasgassen.

De mogelijkheden voor het reduceren van broeikasgasemissies zijn systeemspecifiek. Afhankelijk van het systeem is een een grote of kleine winst in waterkwaliteit te behalen en tegelijkertijd een grote of kleine reductie van emissie. Dit biedt water­ beheerders een interessant handelingsperspectief.

Een lagere uitstoot van broeikasgassen gaat vaak ­samen met heldere, plantenrijke watersystemen. Dit is voordelig voor de natuurontwikkeling en biodiversiteit, waardoor deze wateren ook aantrekkelijker worden als recreatie- en leefgebieden.

Tool uitbouwen en verbeteren Ook al er is een duidelijk verband tussen broeikasgasemissies en de waterkwaliteit, toch zijn er wel degelijk verschillen tussen de metingen en de modelre-

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

35

Afbeelding 2. Broeikasgasemissies van vier meren, berekend met het BlueCanmodel in relatie tot de externe P-belasting.

Blauwe punten geven de uitstoot bij de huidige P-belasting in de meren (gemeten in het veld). De lijnen geven aan hoe de broeikasgasemissie verandert afhankelijk van de externe P-belasting

sultaten. Hiervoor zijn meerdere mogelijke ­oorzaken aan te geven. Ten eerste kan de tool nog beter. De tool berekent nu emissies op basis van gegevens van de 4 plassen, o.a. over bodemtype, temperatuur en nutriëntenbelasting. De uitkomsten zijn gemiddeldes voor het gehele watersysteem en voor een aantal jaren. Daarbij zijn nog niet alle processen die invloed hebben op broeikasgasemissie opgenomen.

Een andere oorzaak ligt in het gebruik van kolomproeven. Die geven de potentiële emissie op een bepaald moment weer, terwijl we weten dat de emissies in het veld sterk variëren gedurende het jaar: ze zijn hoger in zomer en najaar, wanneer de temperaturen hoger zijn en ook de microbiële koolstofafbraak hoger is ten opzichte van de koolstofvastlegging. Bovendien kennen broeikasgasemissies grote ruimtelijke variatie. Vooral opborrelend broeikasgas (ebullitie) is een lokale en onregelmatige emissieroute, die tot piekemissies leidt en daarmee tot een grote onzekerheid in de totale berekende emissies.

In 2020 wordt samen met water- en natuurbeheerders meer ervaring opgedaan aan de hand van praktijkcases, en wordt de tool verder ontwikkeld. Een van de doelen daarbij is om het model jaarrond te ijken op waardes uit het veld.

Conclusies Met de ontwikkeling van het BlueCan-model is een belangrijke stap gezet om emissies uit oppervlaktewater in kaart te brengen. Een slechte waterkwaliteit, en dan vooral een hoge P-belasting, zorgt voor een hoge uitstoot van broeikasgassen. Daarmee wordt een betere waterkwaliteit nog belangrijker, omdat dat niet alleen de ecologische kwaliteit van het systeem

DECEMBER 2020

verbetert, maar ook de impact van het oppervlaktewater op de klimaatverandering verlaagt.

Martine Kox, Sacha de Rijk en Wouter van der Star (Deltares), Marcel Klinge en Sebastiaan Schep (Witteveen+Bos) Referenties Voor meer over BlueCan zie de deltafact “Broeikasgasemissies uit zoetwater” https://www.stowa.nl/deltafacts/waterkwaliteit/ diversen/broeikasgasemissies-uit-zoetwater Webb, J. R., Leavitt, P. R., Simpson, G. L., Baulch, H. M., Haig, H. A., Hodder, K. R. & Finlay, K. (2019). Regulation of carbon dioxide and methane in small agricultural reservoirs: optimizing potential for greenhouse gas uptake. Biogeosciences, 16(21), 4211–4227. https://doi.org/10.5194/bg-16-4211-2019

SAMENVATTING Oppervlaktewater draagt tot 5 procent bij aan de totale uitstoot van broeikasgassen van Nederland, mogelijk meer. In deze studie is onderzocht hoe de waterkwaliteit (o.a. nutriënten en organisch koolstof) de broeikasgasbalans van ondiepe plassen beïnvloedt. Er is onderzoek gedaan in het veld en een eerste prototype van een model ontwikkeld (‘BlueCan’). Een betere waterkwaliteit blijkt niet alleen de ecologische kwaliteit te verbeteren maar zorgt ook voor lagere emissies van ­broeikasgassen. De emissies uit wateren met een goede waterkwaliteit zijn tot wel een factor 10 lager dan bij een slechte waterkwaliteit. De komende tijd zal het model verder getoetst en verbeterd worden met praktijkcases en veldmetingen.

Emissie broeikasgassen uit oppervlaktewater

36

WATER MATTERS

AUTEURS

MONITORING VAN VISSEN IN GROTE RIVIEREN MET EDNA METABARCODING

Miriam Schutter en Nils van Kessel (Bureau Waardenburg)

Kees van Bochove (Datura Molecular Solutions)

Michiel Hootsmans (KWR Water Research Institute)

Mervyn Roos en Gerrit Vossebelt (Rijkswaterstaat)

Vissen en andere waterdieren laten DNA-sporen achter in het water. Analyse van dit ‘environmental DNA’ (eDNA) is een nieuwe manier om de soortsamen­ stelling van wateren te monitoren. In de grote rivieren is dit echter niet zo eenvoudig. DNA-sporen kunnen gemakkelijk verplaatst en verdund worden.

In deze studie is het aantonen van riviervissen onderzocht in de Rijn, het ­Haringvliet en de Nieuwe Waterweg.

Rijkswaterstaat is verantwoordelijk voor een goede ecologische toestand van de rijks­ wateren volgens de Kaderrichtlijn Water (KRW). De visstand is één van de indicatoren. In dit onderzoek is onderzocht of eDNA metabarcoding een effectieve en betrouwbare methode is voor monitoring van vissoorten in stromende rivieren, zoete getijdewateren en estuaria. eDNA metabarcoding Vissen laten DNA-sporen achter in het water, bijvoorbeeld via huidslijm en/of ontlasting.

Dit eDNA wordt na verloop van tijd meestal gedegradeerd tot kortere DNA-fragmenten.

Dit DNA kan uit een watermonster geëxtraheerd en vervolgens geïdentificeerd worden, om het vóórkomen van vissoorten kwalitatief aan te tonen (aan- of afwezigheid, “community

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

analysis”). De basenvolgorde ofwel genetische code van zulke DNA-stukjes is soortspecifiek, waardoor identificatie mogelijk is door vergelijking met een referentiedatabase van in ons geval vissoorten.

Voordeel van eDNA metabarcoding is dat het fysiek vangen en determineren van een vis niet altijd meer nodig is. Voordeel is ook dat de identificatie van ‘lastige’ soorten niet meer afhankelijk is van de beschikbaarheid van specialisten. Daarnaast kan deze techniek vissen aantonen die moeilijk te vangen zijn, bijvoorbeeld omdat ze een verscholen bestaan leiden of erg zeldzaam zijn.

Grote stromende wateren bieden een extra ­uitdaging.

Zo betekent de aanwezigheid van eDNA op een bepaalde plek niet per definitie dat de betreffende soort daar aanwezig is. eDNA kan meestromen vanuit bovenstroomse gebieden of afkomstig zijn van bijvoorbeeld visafval. De methode is in ontwikkeling, en ons onderzoek is een stap naar een protocol voor de eDNA-monitoring van vissoorten in grote stromende wateren.

Onderzoeksopzet In 2018 hebben we door het jaar heen 6 keer ­monsters genomen in de Rijn bij Lobith, de Nieuwe Waterweg en het Haringvliet, vanaf een boot met een slangenpomp. Dat deden we in het voorjaar (maart, april, mei) en het najaar (september, oktober, november). Bij elke monstername werd langs drie raaien dwars over het waterlichaam op 10 punten 100 milliliter water bemonsterd, wat telkens werd samengevoegd tot een mengmonster van 1 liter. Dit werd voor elke raai drie keer gedaan: aan de oppervlakte, 1 meter boven de bodem en uit de oever (dus 3 habitats).

Alle mengmonsters zijn in het veld gefiltreerd. Het filtermembraan is geconserveerd voor DNA-extractie in het lab. Voor elk watermonster zijn nieuwe steriele materialen gebruikt. Op alle locaties is telkens ook gedestilleerd water zonder DNA gefiltreerd, om een indruk te krijgen van mogelijke contaminatie in het veld.

Om inzicht te krijgen in de invloed van de manier van bemonsteren, deden wij in mei en oktober aanvullend een detailbemonstering. Per waterlichaam namen

DECEMBER 2020

37

we 10 monsters van 1 liter langs de meest benedenstroomse raai, aan de oppervlakte en 1 meter boven de bodem.

Laboratoriumanalyse Laboratoriumanalyse is uitgevoerd met specifieke ­primers voor de detectie van twee stukjes DNA uit twee mitochondriële genen van vissen. Na d ­ etectie zijn ze middels PCR vermeerderd. Vervolgens is de precieze basenvolgorde vastgesteld met Next ­Generation ­Sequencing. Identificatie van soorten volgde uit vergelijking met gegevens uit een database.

We deden een aantal controles om de gevonden resultaten te kunnen checken. Zo is als positieve ­controle een mock community geanalyseerd, een ­monster met DNA-fragmenten van een aantal zoeten zoutwater vissoorten in bekende concentraties.

Ook is een aantal negatieve controles ingebouwd om een indruk te krijgen van de contaminatie die kan ­optreden tijdens DNA-extractie en PCR. Een ­laatste punt is dat laboratoria kunnen verschillen in de m ­ ethodes die ze gebruiken. Daarom hebben we ­willekeurig een twintigtal monsters door zowel DATURA Moleculair Solutions als door KWR Water Research Institute laten analyseren.

Bewerking en analyse van data De verkregen barcodes en het aantal reads per bar­code zijn bewerkt middels bioinformatica. Doel hiervan is het verwijderen van PCR- en sequence-­ fouten en het verkleinen van de kans op vals-positieve detecties (bijvoorbeeld door contaminatie). Nadeel is wel dat hierdoor zeldzamere soorten, met een laag aantal reads, uit de dataset kunnen verdwijnen. Er is daarom een vergelijking gemaakt tussen voorzich­ tige en rigoureuze instellingen van de bioinformatica stappen.

Resultaten Voor elk van de drie wateren gold dat de gemiddelde soortenrijkdom voor de drie raaien en de drie habitats ongeveer gelijk was. Het totaal aantal soorten werd wel hoger naarmate meerdere habitats of locaties werden bemonsterd. Ter illustratie is in afbeelding 1 voor het Haringvliet het aantal vissoorten weerge-

DNA-monitoring vissen in grote rivieren

36

38

WATER MATTERS

Afbeelding 1: Venn-diagrammen van het aantal overeenkomstige en unieke soorten per habitat (links) en per raai (rechts) in het Haringvliet. Overlaps geven overeenkomstige soorten aan

geven per habitat en per raai. Hoewel in de oever­ habitat en langs de meest stroomafwaarts gelegen raai 3 de meeste soorten zijn vastgesteld, leveren alle overige bemonsteringen van habitats en raaien aanvullende soorten op. Het nemen van meerdere monsters en/of het bemonsteren van meerdere habitats/ locaties is dus noodzakelijk om een completer beeld van de soortensamenstelling te verkrijgen.

De gemiddelde soortenrijkdom was voor het Haringvliet en de Rijn relatief constant over het jaar heen.

In de Nieuwe Waterweg daalde de soortenrijkdom van maart tot oktober, waarna deze weer toenam in ­november. De soortensamenstelling verschilde wel, wat waarschijnlijk komt door de migratie van ­sommige soorten in bepaalde perioden.

Invloed van de manier van bemonsteren Analyse van de detailmonsters is gebruikt om de mogelijke invloed van de manier van bemonsteren op de resultaten in beeld te brengen. Met soorten­ verzadigingscurves (afbeelding 2ab) hebben we in beeld gebracht hoeveel detailmonsters van 1 liter nodig zijn voor een compleet soortbeeld. Voor een compleet beeld op 1 moment in het Haringvliet zijn bijvoorbeeld minimaal 10 à 20 monsters nodig. In soortenrijkere wateren kan een hoger aantal nodig zijn. Ook het seizoen is van invloed.

Het aantal gedetecteerde soorten in één mengmonster is vanzelfsprekend meestal lager dan in 10 detailmonsters van 1 liter. Dit is geconstateerd voor zowel oppervlakte- als bodemmonsters in alle drie de wateren. Ter illustratie, in het Haringvliet werden in één mengmonster van de bodem 4 KRW-doelsoorten gedetecteerd (afbeelding 2c, rode lijn), in de 10 corresponderende detailmonsters 7. Een uitzondering deed zich voor in mei in de Nieuwe Waterweg toen in

één mengmonster ruim 25 KRW-doelsoorten werden gedetecteerd, tegen 31 in de detailmonsters.

Verschillen tussen laboratoria Detectie en analyse van dezelfde monsters door de laboratoria van DATURA en KWR leverden grotendeels overlappende soortenlijsten op (62%). Het verschil komt deels doordat de labs verschillen in hoe ze de identificatie uitvoeren: met primers van één of van twee mitochondriële genen. Daarnaast verschillende de referentiedatabases en de bioinformatica instellingen. Het is ook kenmerkend voor eDNA-monitoring op dit moment: de methode is sterk in ontwikkeling, standaardisatie is nog ver weg.

Betekenis voor de praktijk Onze resultaten laten zien dat eDNA metabarcoding geschikt is om een kwalitatief beeld te verkrijgen van de soortensamenstelling van een visgemeenschap in stromende wateren. Daarbij is het nemen van meerdere monsters met ruimtelijke variatie (locatie, habitat) en/of seizoensvariatie noodzakelijk om een zo volledig mogelijk soortbeeld te verkrijgen.

Het nemen van meerdere detailmonsters met een groter volume levert over het algemeen meer gedetecteerde soorten op dan een mengmonster met een kleiner volume per deelmonster, maar vereist ook een grotere onderzoeksinspanning in het veld en in het laboratorium. Bij de bemonstering van een waterlichaam zijn 15-25 monsters van 1 liter voldoende om circa 90 procent van de aanwezige soorten te detecteren.

Voor het genereren van een consequente en betrouwbare meerjarige dataset voor vismonitoring is het ­zoals altijd belangrijk dat methoden en werkprotocollen worden gedocumenteerd, zodat heranalyse van

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

39

Afbeelding 2.

Boven: soortenverzadigingscurves voor KRW-doel­ soorten in het Haringvliet op basis van detailmonsters in mei 2018 (a) en oktober 2018 (b). Bodemmonsters en ­ oppervlakte monsters zijn samengenomen (20 monsters).

Onder: een vergelijking tussen het aantal KRW-doelsoorten gedetecteerd in één mengmonster (rode lijn) en de soortenverzadingscurve van tien detailmonsters verzameld op dezelfde locatie, in dezelfde maand en in hetzelfde habitat (bodem (c) en oppervlak (d))

ruwe datasets met herziene inzichten mogelijk blijft (bioinformatica en referentie databanken).

Op termijn, als methoden (inter)nationaal voldoende zijn doorontwikkeld, zal standaardisatie hier ook behulpzaam bij zijn.

Toekomstig onderzoek Om te komen tot een operationeel toepasbaar protocol worden nog enkele zaken verder onder­ zocht, zoals de invloed op de volledigheid van het gemeten soortbeeld van grotere volumes per monster, verschillende filtertypen en de bemonsteringsinspanning (ruimtelijk en temporeel).

Daarnaast wordt onderzocht hoe de kosten en baten zich verhouden ten opzichte van de traditionele vis­ bemonstering.

Het benutten van ecologische kennis gesteund door aanvullend visonderzoek (zoals traditionele vis­ bemonstering) blijft onontbeerlijk om de resultaten van deze nieuwe methodiek en de daaruit ­volgende interpretaties te waarborgen. Bijvoorbeeld, de geografisch dekking van eDNA-monsters kan anders zijn dan van traditionele bemonsteringstechnieken.

Gedetecteerd eDNA is niet per sé afkomstig van de directe omgeving van de bemonsteringslocatie.

Daardoor wijst de detectie een soort met eDNA niet altijd onomstotelijk op de lokale aanwezigheid van soorten. Aanvullend (veld)onderzoek, expert judge­ ment en degelijke controlestappen moeten de kans op mis­interpretaties tot het minimale reduceren. Waarbij niet moet worden vergeten dat de traditionele vis­ monitoring ook zo haar eigen beperkingen kent.

Miriam Schutter en Nils van Kessel (Bureau ­Waardenburg), Kees van Bochove (Datura ­Molecular Solutions), Michiel Hootsmans (KWR Water ­Research Institute), Mervyn Roos en Gerrit Vossebelt ­(Rijkswaterstaat)

DECEMBER 2020

Referenties Beentjes K. 2020. Deltafact: DNA-technieken voor water­ beheerders. STOWA. https://www.stowa.nl/nieuws/dna-tech­ nieken-voor-waterbeheerders Schutter, M., N. van Kessel, K. Van Bochove, M. Hootsmans & E. Kardinaal, 2019. Effectiviteit van eDNA metabarcoding voor vismonitoring rijkswateren. Bureau Waardenburg Rapportnr.

19-147 Bureau Waardenburg, Culemborg.

SAMENVATTING Vissen laten DNA-sporen achter in het water.

Analyse van dit ‘environmental DNA’ (eDNA) is een nieuwe manier om vissen te monitoren. In dit onderzoek is gekeken hoe deze ‘eDNA metabar­ coding’ het beste kan worden aangepakt in de ­grote rivieren, waar de stroming de resultaten sterk kan beïnvloeden. Analyse van eDNA blijkt ook hier een gedegen methode om de vissoorten­ samenstelling in beeld te brengen. Wel is de manier van bemonsteren cruciaal, en ecologische kennis blijft noodzakelijk voor een correcte interpretatie.

DNA-monitoring vissen in grote rivieren

40

WATER MATTERS

AUTEURS

Maartje van Kessel en Lianna Poghosyan (Radboud Universiteit)

Sebastian Lücker Martine Kox (Radboud Universiteit) (Deltares)

WELKE MICRO-ORGANISMEN ZORGEN VOOR ONS SCHONE DRINKWATER? Zandfiltratie is belangrijk voor de productie van drinkwater uit grondwater.

De precieze werking van zandfilters is nog omgeven met veel vragen. In deze studie wordt onderzocht welke micro-organismen betrokken zijn bij het verwijderen van ammonium en methaan.

In Nederland wordt meer dan tweederde van het drinkwater geproduceerd uit grondwater.

Grondwater heeft een relatief stabiele samenstelling en is van zichzelf al van hoge ­kwaliteit.

Het voldoet echter nog niet aan de kwaliteitseisen waaraan drinkwater dient te voldoen ter voorkoming van gezondheidsrisico’s en problemen tijdens de distributie. Met name de concentratie van ammonium en methaan is vaak te hoog, maar ook andere stoffen, zoals nitriet, nitraat, mangaan en ijzer, moeten worden verwijderd. Deze stoffen zijn toxisch, zorgen voor een vreemde geur of smaak van het water en/of voor groei van micro-­organismen

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

41

Afbeelding 1: Schematische weergave van het bestudeerde pompstation. Grondwater wordt opgepompt en over twee zandfilters geleid (het primaire zandfilter; P-ZF en het secundaire zandfilter; S-ZF). De concentraties van methaan (CH4), ammonium (NH4+), nitriet (NO2-) en nitraat (NO3-) op verschillende locaties zijn weergegeven.

Monsters van P-ZF, S-ZF en de biofilm (BF) zijn genomen op verschillende tijdstippen. NG = niet gemeten

in waterleidingen. Gasvormige stoffen, zoals ­methaan en sulfide, worden als eerste verwijderd uit ruw grondwater, meestal door extensieve beluchting (strippen). Vervolgens vindt verdere zuivering plaats door zandfiltratie, een techniek die al lange tijd gebruikt wordt voor de zuivering van drinkwater. In het zandfilter zorgt een combinatie van fysische, chemische en biologische processen voor het verwijderen van allerlei verontreinigingen, waaronder de boven­ genoemde stoffen.

De microbiële populatie bepalen In deze studie wordt de microbiële samenstelling op diverse plekken in de zandfilters in pompstation Breehei (Waterleiding Maatschappij Limburg, WML) onderzocht, met de focus op de verwijdering van ­ammonium (NH4+) en methaan (CH4). Er zijn op diverse tijdstippen monsters genomen van het primaire en het secundaire zandbed en van de biofilm op de wand van het primaire filter. Op dezelfde tijdstippen werd ook de concentratie van methaan en stikstof bepaald (afbeelding 1).

De meeste bekende micro-organismen kunnen nog steeds niet gekweekt worden in een laboratorium.

Voor het bepalen van de microbiële samenstelling van de monsters gebruikten we daarom Next gene­ ration sequencing (NGS). Met NGS wordt van DNA uit een monster de basenvolgorde bepaald (se-

DECEMBER 2020

quencing). ­Vervolgens worden de DNA-fragmenten geïdentificeerd aan de hand van DNA van bekende micro-­organismen in databanken. Zo ontstaat een ­‘microbiële vingerafdruk’ van het monster. Ook kan bekeken worden of er zogenaamde markergenen gevonden worden; dit zijn genen die coderen voor enzymen die bepaalde omzettingen katalyseren.

Dit geeft een indruk van de potentiële conversies van stoffen door micro-organismen in het ­zandfilter. ­Voorbeelden van dit soort genen zijn amo (een s­ ubunit van ammonia-mono-oxygenase, katalyseert de omzetting van ammoniak in nitriet) en mmo ­(methaan mono-­oxygenase, katalyseert de omzetting van methaan naar methanol) (afbeelding 2). Door naast de samenstelling van de microbiële populatie in het filter ook diverse parameters van de waterkwaliteit te meten kan worden afgeleid welke micro-organismen ­verantwoordelijk kunnen zijn voor een bepaalde conversie.

Comammox Nitrospira Afbeelding 1 laat zien dat veruit het meeste ammonium uit het grondwater wordt verwijderd door het primaire zandbed. Aangezien de nitrietconcentratie hier hoger is dan in het secundaire zandbed en omdat het zuurstofgehalte in het water hoog is, kan worden aangenomen dat het ammonium wordt verwijderd via nitrificatie: de omzetting van ammonium (ammoniak) via nitriet naar nitraat.

Microorganismen en zandfiltratie

40

42

WATER MATTERS

Afbeelding 2: Het voorkomen van ammonium- en methaan-mono-oxygenase (amo en mmo)-genen in het primaire en secundaire zandbed (P-ZF en S-ZF) en de biofilm. Het aantal gevonden amo en mmo genen is genormaliseerd. A. Het archaeale amoA-gen (roze) werd alleen gevonden in de biofilm. Het merendeel van de gevonden amoA-genen is bacterieel (groen en blauw) waarvan het aandeel comammox Nitrospira het grootst is (donker groen: A-variant; licht groen: B-variant). B. Het methaanmono-oxygenasegen werd gevonden in alle monsters. Opvallend is dat de verhouding tussen p-mmo (blauw) en s-mmo (grijs) in de biofilmmonsters varieert in de tijd. Over het algemeen is smo het meest voorkomende gen in het primaire zandfilter en p-mmo in het secundaire, waarbij moet worden opgemerkt dat de hoeveelheid mmo-genen in het primaire zandbed beduidend groter is

Diverse soorten micro-organismen zijn in staat om de verschillende stappen van nitrificatie te katalyseren.

De bacterie Nitrosomonas en het in 2005 gevonden archaeon Nitrosopumulus bijvoorbeeld zetten ammonium om in nitriet, dat vervolgens wordt geoxideerd tot nitraat door bijvoorbeeld Nitrospira. Zowel ­ammonium- als nitriet-oxiderende micro-organismen zijn gevonden in zandfilters, maar vaak waren de zogenaamde Nitrospira oververtegenwoordigd. Dat is minder vreemd dan het lijkt, aangezien Nitrospira ook in staat zijn tot ammoniumoxidatie. Nitrospira kunnen dus beide oxidatiestappen voor hun rekening nemen, van ammonium naar nitriet én van nitriet naar nitraat.

Dit proces heet complete ammonium oxidatie (comammox). Het ammonium-mono-oxogenase enzym van deze zogenaamde comammox Nitrospira, wijkt af van het amo dat we al kenden van andere ammonium oxiderende micro-organismen.

Microbiële verwijdering van ammonium Met NGS werden in de monsters, onafhankelijk van tijdstip en locatie van de monstername, amo-genen gevonden van zowel Nitrosomonas als N ­ itrosopumulus (afbeelding 2). Echter, het grootste deel van de aangetroffen amoA varianten behoort tot de comammox Nitrospira. Daarmee zijn deze micro-organismen dus hoogstwaarschijnlijk de belangrijkste ammonium oxiderende micro-organismen in dit zandbed. Dit verklaart de oververtegenwoordiging van Nitrospira bacteriën in de zandfilters. Ook komt het overeen met andere studies naar de microbiële samenstelling

van zandfilters, in onder andere Deense drinkwater­ productiefaciliteiten. De concentraties ­nutriënten in het te zuiveren grondwater zijn laag. Het lijkt erop dat c­ omammox Nitrospira goed zijn aangepast op het l­ even in zulke condities; het zijn typische ­K-strategisten, organismen met een lage groeisnelheid maar een zeer efficiënte energieconversie.

Opvallend genoeg zijn er twee verschillende soorten comammox Nitrospira amoA-genen gevonden, de A- en de B-variant. Comammox bacteriën met de A-variant van het amoA-gen zijn de belangrijkste groep in het eerste zandbed, terwijl de groep met de B-variant het meest voorkomt in het tweede zandbed en in de biofilm aan de wand van het primaire zandbed. Er is nog maar weinig bekend over de comammox Nitrospira met een B-variant van het amoA-gen.

Van deze organismen zijn alleen genoomsequenties bekend, er zijn nog geen rein- of verrijkingsculturen beschikbaar in laboratoria, dus naar de fysiologie en de rol van deze micro-organismen in drinkwater­ productie blijft het voorlopig gissen.

Microbiële verwijdering van methaan Naast ammonium bevat het ruwe grondwater van pompstation Breehei ook veel methaan (CH4). Het meeste hiervan ontsnapt tijdens de aeratiestap (beluchting) naar de lucht. Een klein deel blijft echter opgelost in het ruwe grondwater. Micro-organismen in het zandbed verwijderen het door het stapsgwijs te oxideren tot CO2. De eerste stap van methaanoxidatie

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

wordt gekatalyseerd door het enzym methaan-­monooxygenase (mmo) waarvan twee varianten bekend zijn: de membraan-gebonden (particulate, p-mmo) en de ongebonden (soluble, s-mmo) variant. Beide vormen zijn gevonden in de sequentiedata (afbeelding 2). De gevonden p-mmoA-genen zijn kenmerkend voor de methaan oxiderende micro-­organismen ­behorende tot de gammaproteobacteriën. Dit zijn bacteriën waarvan al lange tijd bekend is dat ze methaan kunnen oxideren. De gevonden s-mmo-­ sequenties horen bij organismen van de familie van de ­Methylomonadaceae. Hiervan is nog nooit aangetoond dat ze de genen voor methaanoxidatie tot haar beschikking heeft. Dit micro-organisme is echter in groten getale aanwezig in het primaire zandbed en het is dus aannemelijk dat het ook een rol speelt in de omzetting van methaan naar CO2 in het zandbed.

Of dit daadwerkelijk zo is moet nog verder onderzocht worden.

Conclusies In deze studie is door next generation sequencing (NGS) van monsters uit de twee zandbedden van het zandfilter van een pompstation inzicht verkregen in de daar aanwezige populatie van micro-organismen.

Commammox Nitrospira blijkt hier het meest voorkomende ammonium-oxiderende micro-organisme te zijn, waarbij de comammox bacterie in het eerste zandbed een iets ander amoA-gen heeft (A-variant) dan in het tweede zandbed (B-variant). Er is verder onderzoek nodig om te kunnen concluderen wat de rol is van de comammox bacteriën met de B-variant van het amoA-gen. Misschien kan kennis over de ­verhouding tussen comammox bacteriën en andere nitrificerende micro-organismen antwoord geven op de vraag waarom zandfilters ammonium soms niet meer volledig verwijderen of er nitriet ophoping plaatsvindt. Ook dit verdient nader onderzoek.

Verder is het een interessant gegeven dat in het zandbed methaan-oxiderende bacteriën actief zijn.

Wellicht kan hiervan in de toekomst gebruik gemaakt worden om de emissie van het sterke broeikasgas methaan bij drinkwaterproductie te verlagen.

Op dit moment worden in zandbedden op labora­ toriumschaal deze ammonium- en methaan-oxide-

DECEMBER 2020

43

rende micro-organismen nader onderzocht.

Deze studie draagt bij aan een beter begrip van de processen in het zandbed. Deze kennis kan leiden tot het voorkomen van problemen bij zandfiltratie of tot het sneller opstarten van nieuwe zandfilters.

Maartje van Kessel, Lianna Poghosyan, Sebastian Lücker (Radboud Universiteit) Martine Kox (Deltares) Referenties Fowler SJ, Palomo A, Dechesne A, Mines PD, Smets BF (2018) Comammox Nitrospira are abundant ammonia oxidizers in ­diverse groundwater-fed rapid sand filter communities, ­Environmental Microbiology 20 Kessel MAHJ van, Speth DR, Albertsen M, Nielsen PH, Op den Camp HJM, Kartal B, Jetten MSM, Lücker S (2015) Complete nitrification by a single microorganism, Nature 528 Kits KD, Sedlacek CJ, Lebedeva LV, Han P, Bulaev A, Pjevac P, Daebeler A, Romano S, Albertsen M, Stein LY, Daims H, Wagner M (2017) Kinetic analysis of a complete nitrifier reveals a ­oligotrophic lifestyle, Nature 549 Poghosyan L, Koch H, Frank J, van Kessel MAHJ, Cremers G, van Alen T, Jetten MSM, Op den Camp HJM, Lücker S (2020) Metagenomic profiling of ammonia- and methane-oxidizing microorganisms in two sequential rapid sand filters, Water Research 185.

SAMENVATTING Voor de productie van drinkwater wordt gebruik gemaakt van zandfiltratie. In de zandfilters ­worden verontreinigingen uit het ruwe water, meestal grondwater, verwijderd door een combinatie van fysische, biologische en chemische processen. In deze studie wordt onderzocht welke micro-organismen betrokken zijn bij het verwijderen van ammonium en methaan. Ammonium wordt grotendeels omgezet door comammox (complete ammonium oxidatie) Nitrospira, een bacterie die ammonium volledig kan oxideren tot nitraat. ­Methaan wordt vooral verwijderd door strippen (beluchten) maar wordt ook door micro-­ organismen in het zandfilter geoxideerd tot CO2.

Een goed inzicht in de micro-organismen betrokken bij drinkwaterproductie kan ons helpen zandfiltratie beter te begrijpen en te optimaliseren.

Microorganismen en zandfiltratie

Het kennismagazine Water Matters van H2O is een initiatief van Koninklijk Nederlands Waternetwerk Onafhankelijk kennis(sen)netwerk voor en door Nederlandse water­ professionals.

Water Matters wordt mogelijk gemaakt door ARCADIS Wereldwijd opererende ontwerp- en adviesorganisatie op het gebied van de natuurlijke en gebouwde omgeving die duurzame resultaten levert door de toepassing van ontwerp, advisering, engineering, project- en managementdiensten.

Deltares Onafhankelijk kennisinstituut op het gebied van water, ondergrond en infrastructuur. Wereldwijd wordt gewerkt aan slimme innovaties, oplossingen en toepassingen voor mens, milieu en maatschappij.

KWR Watercycle Research Institute Instituut voor toegepast wetenschappelijk wateronderzoek dat kennis genereert en samenbrengt voor innovaties in en optimaal beheer van de waterketen.

Royal HaskoningDHV Onafhankelijk internationaal advies-, ingenieurs- en projectmanagementbureau, dat samen met klanten en partners een bijdrage levert aan een duurzame samenleving.

Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA) Kenniscentrum van regionale waterbeheerders in N ­ ederland, dat zorgt voor het ontwikkelen, bijeenbrengen, delen en implementeren van kennis die nodig is om de opgaven waar waterbeheerders voor staan, goed uit te voeren.