Wie Mikroben Methanemissionen aus dem Grundwasser eindämmen

Grundwasser enthält oft das starke Treibhausgas Methan, dessen Beitrag zur Atmosphäre bisher unklar war. Ein Team des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie und der Universität Jena konnte nun mittels einer hochsensitiven Radiokohlenstoff-Tracermethode nachweisen, dass Mikroorganismen im Grundwasser als „Methanfilter“ wirken.

Die Studie belegt, dass die Mikroben mehr als die Hälfte des Methans verbrauchen, bevor es entweichen kann. Diese mikrobielle Oxidation ist der einzige bekannte biologische Prozess zum Methanabbau und reduziert damit den Methanbeitrag des Grundwassers zu Binnengewässern und Feuchtgebieten – den größten natürlichen Quellen. Die Forscher, darunter Beatrix M. Heinze, Valérie F. Schwab, Kirsten Küsel und Susan Trumbore, untersuchten Grundwässer unterschiedlicher Gesteinsarten und Konzentrationen, um die Unsicherheit bezüglich des globalen Methanhaushalts zu verringern. Da Methan kurzfristig eine etwa 84-mal höhere Wärmespeicherfähigkeit als CO2​ besitzt, ist eine schnelle Reduktion seiner Emissionen eine wirksame Maßnahme gegen die globale Erwärmung.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass ein hochaktiver mikrobieller Methanfilter im Grundwasser eine entscheidende Rolle dabei spielt, die Freisetzung von Methan in Oberflächengewässer, Böden und Atmosphäre zu begrenzen“, erklärt Doktorandin Beatrix M. Heinze.

Methanabbau hängt von der Konzentration ab

Das Forschungsteam untersuchte Grundwässer aus flachen Karbonat- und Sandstein-Aquiferen in Mittel- und Norddeutschland. Die Methankonzentrationen in diesen Proben zeigten eine enorme Bandbreite, die sich über fünf Größenordnungen erstreckte – von kaum messbar bis stark übersättigt. Entsprechend variierten auch die Raten der mikrobiellen Methanoxidation stark. Sie zeigten eine enge Korrelation mit der jeweiligen Methankonzentration im Grundwasser.

„Unsere Methode ermöglichte es uns nicht nur, die mikrobielle Methanoxidation zu quantifizieren, sondern auch zu bestimmen, wie viel des Methans die Mikroben für den Aufbau von Biomasse nutzen“, erläutert Heinze. „Wir fanden heraus, dass Grundwassermikroben Methan hauptsächlich zur Energiegewinnung und weniger für das Wachstum verwenden.“

Zur Entwicklung und Verfeinerung dieser Methode absolvierte Heinze einen Forschungsaufenthalt an der University of California. Dort erlernte und wandte sie fortgeschrittene Radiokohlenstoff-Methoden zur Analyse der mikrobiellen Methanoxidation im Grundwasser an. Der Methanumsatz – die Zeit, die Mikroben benötigen, um das vorhandene Methan vollständig zu verbrauchen – variierte dabei stark. Er reichte, abhängig von der Konzentration, von wenigen Tagen bis zu mehreren Jahrzehnten.

„Während an vielen Standorten Methan vermutlich vollständig durch Grundwassermikroben abgebaut wird, könnten einige Orte in Norddeutschland mit besonders hohen Methankonzentrationen bedeutende Quellen für Methanemissionen aus Feuchtgebieten oder Flüssen sein“, erklärt Susan Trumbore, Direktorin am Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena. „Unsere Studie verdeutlicht die großen Unsicherheiten über die Rolle von Binnengewässern als natürliche Methanquellen und die Notwendigkeit belastbarer Basisdaten für zukünftige Bewertungen.“

Mikroben entfernen weltweit mehr als die Hälfte des Grundwasser-Methans

Angesichts der festgestellten engen Korrelation zwischen den Methanoxidationsraten und den Methankonzentrationen im Grundwasser sammelten die Forschenden weltweit veröffentlichte Daten zu Methankonzentrationen in Grundwässern. Durch Extrapolation ihrer Ergebnisse schätzen sie, dass methanoxidierende Mikroben jährlich zwischen 167 und 778 Teragramm (Tg) Methan abbauen. Dies entspricht ungefähr zwei Dritteln der gesamten im Grundwasser global produzierten Methanmenge. Zum Vergleich: Die kombinierten Emissionen von Binnengewässern und Feuchtgebieten werden auf 164 bis 329 Tg Methan pro Jahr geschätzt.

Neben der Klimawirkung kann Methan in hohen Konzentrationen auch ein Risiko für die Grundwasserqualität darstellen. „Unsere Methode kann helfen, potenzielle Risiken selbst in Aquiferen zu erkennen, die als sauber und sicher gelten“, sagt Kirsten Küsel. „Die Ergebnisse verdeutlichen die Dringlichkeit eines nachhaltigen Grundwassermanagements – zum Schutz des Klimas und unserer Trinkwasserressourcen.“

Die Studie wurde im Rahmen des Sonderforschungsbereichs AquaDiva durchgeführt, geleitet von Kirsten Küsel, Susan Trumbore und Kai Totsche. Dieses interdisziplinäre Projekt untersucht die Wechselwirkungen zwischen Oberflächen- und Untergrundökosystemen und deren Reaktion auf Umweltveränderungen. Durch die Kombination von Biogeochemie, Hydrogeologie und Mikrobiologie will AquaDiva die komplexen Prozesse in Grundwasserökosystemen und deren Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Klimawandel erfassen.

Quelle

Friedrich-Schiller-Universität Jena (10/2025)