Grundwasser enthält häufig Methan, doch wie viel von diesem wichtigen Treibhausgas tatsächlich in Oberflächengewässer oder die Atmosphäre gelangt, ist bislang unklar. Ein Team des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie und der Friedrich-Schiller-Universität Jena konnte nun in einer neuen Studie zeigen, dass Mikroben im Grundwasser Methanemissionen erheblich reduzieren. Die Fachzeitschrift PNAS hat die Studie veröffentlicht.

Die Forscherinnen und Forscher nutzten eine hochsensitive Radiokohlenstoff-Tracermethode, um nachzuweisen, dass Mikroorganismen mehr als die Hälfte des im Grundwasser enthaltenen Methans verbrauchen, bevor es entweichen kann. Dieser mikrobielle „Methanfilter“ begrenzt den Beitrag des Grundwassers zu Binnengewässern und Feuchtgebieten – den größten natürlichen Methanquellen der Atmosphäre.

Hohe Methan-Konzentrationen: Einfluss auf Trinkwasserqualität

Methan ist ein starkes Treibhausgas: Seine Wärmespeicherfähigkeit ist kurzfristig etwa 84-mal höher als die von Kohlendioxid. Rasche Reduktionen der Methanemissionen zählen daher zu den wirksamsten Maßnahmen gegen die globale Erwärmung. Grundwasser kann Methan aus mikrobiellen oder fossilen Quellen enthalten. In hohen Konzentrationen kann es die Trinkwasserqualität beeinträchtigen und in Böden, Oberflächengewässer oder in die Atmosphäre entweichen. Mikrobielle Oxidation ist der einzige bekannte biologische Prozess, der Methan abbaut. Der Beitrag des Grundwassers zum globalen Methanhaushalt ist jedoch bislang sehr unsicher.

Unter Verwendung einer neu verfeinerten Radiokohlenstoff-Tracermethode bestimmten Beatrix M. Heinze, Valérie F. Schwab, Kirsten Küsel und Susan Trumbore, Max-Planck-Institut für Biogeochemie und Universität Jena, die mikrobielle Methanoxidation in Grundwässern unterschiedlicher Gesteinsarten und Methankonzentrationen – in Zusammenarbeit mit Stefan Schloemer und Andreas Roskam von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe sowie dem Landesamt für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz.

„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.

Methankonzentration ausschlaggebend dessen Abbau

Das Team beprobte Grundwässer aus flachen Karbonat- und Sandstein-Aquiferen in Mittel- und Norddeutschland, deren Methankonzentrationen sich über fünf Größenordnungen erstreckten – von kaum nachweisbar bis übersättigt. Die Raten der mikrobiellen Methanoxidation variierten ähnlich stark und korrelierten eng mit der 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, Irvine, gefördert durch die „Scientific Exchange Funds“ des Exzellenzclusters „Balance of the Microverse“. Diese Aufenthalte ermöglichten ihr, fortgeschrittene Radiokohlenstoff-Methoden zur Analyse mikrobieller Methanoxidation im Grundwasser zu erlernen und anzuwenden.

Der Methanumsatz – also die Zeit, die Mikroben benötigen, um das verfügbare Methan vollständig zu verbrauchen – reichte von wenigen Tagen bis zu mehreren Jahrzehnten, abhängig von der Konzentration.

„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-Institut 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 bauen große Mengen Grundwasser-Methan ab

Angesichts des starken Zusammenhangs zwischen Methanoxidationsraten und Methankonzentrationen sammelten die Autorinnen und Autoren veröffentlichte Daten zu Methankonzentrationen in Grundwässern weltweit. Durch Extrapolation ihrer Ergebnisse schätzen sie, dass methanoxidierende Mikroben jährlich zwischen 167 und 778 Teragramm Methan abbauen – das entspricht etwa zwei Dritteln der global im Grundwasser produzierten Methanmenge. Zum Vergleich: Schätzungen zufolge emittieren Binnengewässer und Feuchtgebiete zusammen 164 bis 329 Teragramm Methan pro Jahr.

„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, Sprecherin des Exzellenzclusters „Balance of the Microverse“ an der Friedrich-Schiller-Universität Jena. „Die Ergebnisse verdeutlichen die Dringlichkeit eines nachhaltigen Grundwassermanagements – zum Schutz des Klimas und unserer Trinkwasserressourcen.“

Die Studie entstand im Rahmen des Sonderforschungsbereichs AquaDiva, der von Kirsten Küsel, Susan Trumbore und Kai Totsche geleitet wird. Dieses interdisziplinäre Forschungsprojekt untersucht die Wechselwirkungen zwischen Oberflächen- und Untergrundökosystemen und deren Reaktionen auf Umweltveränderungen. Durch die Verbindung von Expertise aus Biogeochemie, Hydrogeologie und Mikrobiologie will AquaDiva die komplexen Prozesse verstehen, die Grundwasserökosysteme steuern und ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Klimawandel beeinflussen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Susan E. Trumbore
Max-Planck-Institut für Biogeochemie
Hans-Knöll-Str. 10, 07745 Jena
Tel.: +49-3641-57-6110
E-Mail: trumbore@bgc-jena.mpg.de

Prof. Dr. Kirsten Küsel
Exzellenzcluster „Balance of the Microverse“ der Universität Jena
Institut für Biodiversität, Ökologie und Evolution
Dornburger Straße 159, 07743 Jena
Tel.: +49-3641-9-49461
E-Mail: kirsten.kuesel@uni-jena.de

Originalpublikation:
Heinze, Beatrix M. et al. Microbial oxidation significantly reduces methane export from global groundwaters, Proceedings of the National Academy of Sciences 2025, DOI: 10.1073/pnas.2508773122