Methan im Grundwasser Mikrobielle Methanfilter reduzieren die Emission von Treibhausgasen

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Methan ist ein bedeutender Treiber der globalen Erwärmung. Auch Grundwasser enthält Methan, das in die Atmosphäre gelangen und so wesentlich zu den Emissionen beitragen kann. Forschende haben nun gezeigt, dass Mikroorganismen mehr als die Hälfte des im Grundwasser enthaltenen Methans abbauen, bevor es entweichen kann – sie wirken damit als mikrobieller „Methanfilter“.

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. Wie groß der Beitrag des Grundwassers zum globalen Methanhaushalt ist, bleibt jedoch bislang unsicher.

Unter Verwendung einer neu verfeinerten Radiokohlenstoff-Tracermethode bestimmten Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie und der 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.

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Methanabbau hängt von der Konzentration ab

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. So fanden die Forscher heraus, dass Grundwassermikroben Methan hauptsächlich zur Energiegewinnung und weniger für das Wachstum verwenden.

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 entfernen weltweit mehr als die Hälfte des Grundwasser-Methans

Angesichts des starken Zusammenhangs zwischen Methanoxidationsraten und Methankonzentrationen sammelten die 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 (ein Teragramm sind eine Million Tonnen) – 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 laut den Wissenschaftlern die Dringlichkeit eines nachhaltigen Grundwassermanagements – zum Schutz des Klimas und unserer Trinkwasserressourcen.

Die Studie entstand im Rahmen des Sonderforschungsbereichs AquaDiva en, 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.

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

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