Mikrobieller Methanabbau im Grundwasser: Neue Einblicke in natürliche Senkenprozesse

„Methan ist in vielen Grundwasservorkommen zu finden, weil es Teil des natürlichen Kohlenstoffkreislaufs ist. Probleme mit Methan im Grundwasser sind eher selten. Eine Ausnahme besteht für Hausbrunnenbesitzer, die bei Grundwasser mit erhöhten Methankonzentrationen als Vorsichtsmaßnahme eine gute Belüftung für die Brunnenstube brauchen.“

„Methan im Grundwasser kann zwei Quellen haben. Nahe der Erdoberfläche findet sich häufig Methan, das durch Mikroorganismen im Grundwasserleiter entstanden ist. Hauptfaktor ist der Abstand zwischen Erdoberfläche und dem Grundwasserspiegel, der als Flurabstand bezeichnet wird. Je näher der Grundwasserspiegel an der Erdoberfläche steht, das heißt, je kleiner der Flurabstand, desto mehr Methan findet sich üblicherweise im Grundwasser. Vegetation, Landnutzung und Geologie spielen auch eine Rolle. Zum Beispiel hat Grundwasser im Abstrom von Mooren und Feuchtgebieten einen geringen Flurabstand und üblicherweise höhere Methankonzentrationen als Grundwasser unter entwässerten landwirtschaftlichen Nutzflächen, die einen großem Flurabstand aufweisen. In den norddeutschen Marschen oder in den moorgeprägten Teilen des Münsterlandes ist deshalb viel häufiger Methan im Grundwasser nahe der Erdoberfläche zu finden als in den Mittelgebirgen. Methan kann auch aus Kohle oder anderen fossilen Kohlenstoffen entgasen. Diese befinden sich aber meist in tieferen Grundwasserstockwerken.“

„Die Studie ist deshalb spannend, weil sie zum ersten Mal eine Abschätzung über das Schicksal von Methan im Grundwasserleiter bietet. Üblicherweise sind solche Erstabschätzungen noch mit größeren Unsicherheiten behaftet, die nun mit weiteren Studien genauer eingegrenzt werden können und sollten. Zum Beispiel wird aus der Studie nicht klar, ob und wie die untersuchten Grundwässer im Austausch mit der Atmosphäre stehen. Weiterhin ist die Rolle der chemischen Zusammensetzung des Grundwassers noch unklar. Warum ist das wichtig? Weil Methan zur Oxidation einen Reaktionspartner braucht, mit dem es Elektronen austauschen kann. Welcher Reaktionspartner könnte das sein? Wirkt er sich limitierend aus? Hier gibt es sicherlich noch Bedarf für weitere Studien.“

„Der Grundwasserstand spielt eine zentrale Rolle für das Vorkommen von Methan. In den vergangenen Jahren gab es Perioden mit wenig Niederschlag und steigenden Grundwasserentnahmen, die zumindest regional zu sinkenden Grundwasserspiegeln in Deutschland geführt haben. Wir wissen aus Studien zu Methanemissionen aus Mooren, dass sinkende Grundwasserspiegel auch die Methanemissionen verringern. Durch sinkende Grundwasserspiegel würde also weniger Methan in oberflächennahen Grundwasserleitern entstehen und weniger Methan müsste gefiltert werden. Letztlich wird im Austausch dafür aber mehr CO₂ (Kohlendioxid; Anm. d. Red.) freigesetzt. Der Netto-Effekt fürs Klima kann also positiv oder negativ sein.“

„Das Methan im Grundwasser stammt aus der mikrobiellen Methanbildung in sauerstofffreier Umgebung sowie aus thermogenen Quellen, die durch geothermische Aktivität gebildet werden. Durch Risse im Untergrund und mit dem Grundwasser selbst, zum Beispiel durch natürliche Prozesse, aber zusehends auch durch menschliche Aktivitäten wie Pumpen und Ableitung gelangt das Gas an die Oberfläche und kann damit potenziell in die Atmosphäre gelangen. Dies stellt ein zunehmendes Umweltproblem dar. Die Studie, die in Aquiferen (Grundwasserleitern; Anm. d. Red.) in Norddeutschland durchgeführt wurde, zeigt, dass je nach Methankonzentration ein größerer oder kleinerer Anteil des Methans durch Mikroorganismen konsumiert, das heißt oxidiert wird. So war bei höheren Methankonzentrationen der Methanumsatz langsamerer, so dass eine größere Methanmenge in lokale Flüsse sowie Feuchtgebiete und damit in die Atmosphäre entweicht.“

„Die Autoren haben eine Reihe von unterschiedlichen, zum Teil hochempfindlichen Messmethoden eingesetzt, um die Methankonzentration (stabile Isotope), den mikrobiellen Methanverbrauch (Radioisotope), sowie die globale Freisetzung (Abschätzungen basierend auf Datenbanken und statistischer Verfahren) zu bestimmen. Zusätzlich wurde die mikrobielle Gemeinschaft mittels Sequenz-basierten Methoden ermittelt. Alle diese Methoden sind sehr zuverlässig und wurden solide durchgeführt. Der Skalentransfer auf die globale Ebene wurde basierend auf der Korrelation zwischen mikrobiellen Methanoxidationsraten und -konzentrationen im Grundwasser durchgeführt. Dabei wurden die mittleren Methankonzentrationen in Grundwässern mit Gesteinsuntergrund sowie im allgemeinen Grundwasser (alle Daten zusammen) in mittlere Methanoxidationsraten umgerechnet und auf das in einer früheren Arbeit veröffentlichte globale Grundwasservolumen extrapoliert. In der Tat gibt es eine Reihe weiterer Methanoxidierer, die in dieser Studie nicht erfasst wurden. Der dadurch resultierende Fehler für die Berechnung der Methanfreisetzungsraten dürfte allerdings relativ gering sein, da die Unterschiede in den Methanoxidationsraten eher durch die Umweltbedingungen als durch die Zusammensetzung der Methanoxidierer bestimmt werden.“

„Die globalen Abschätzungen zur mikrobiellen Verstoffwechselung von Methan im Grundwasser sind sicherlich durch verschiedenste Faktoren, zum Beispiel durch kleinräumige Unterschiede in den verschiedensten Umweltvariable, beispielsweise pH-Wert, Temperatur, Nährstoffe, und so weiter beeinflusst. Allerdings deutet die relative weltweit konstante Beziehung zwischen Methankonzentration und Methanoxidationsrate in den unterschiedlichsten aquatischen Systemen daraufhin, dass die hier vorgestellten Abschätzungen relativ solide sind.“

„Das Mikrobiom im Grundwasser, aber auch in anderen Gewässern stellt in der Tat einen sehr effektiven Methanfilter da, der das Entweichen von Methan aus Gewässern in die Atmosphäre deutlich verringert. Allerdings kann diese Senkenfunktion durch menschliche Verschmutzung zum Beispiel organisches Material und Nährstoffe sowie Schwermetalle oder Öle stark beeinträchtigt werden. Sinkende Grundwasserstände (mehr Sauerstoff im Grundwasserleiter) sowie eine geringere Grundwasserneubildung (längere Verweilzeiten) begünstigen dagegen die Methanoxidation, so dass weniger Methan aus dem Grundwasserleiter in die Atmosphäre entweichen sollte. Die globale Klimaveränderungen ist jedoch durch den verstärkten Wechsel von Extremereignissen wir Dürren und Starkregen gekennzeichnet, was dazu führen könnte, dass die Methanbildung (in sauerstofffreien Milieu bei Starkregen) und die Methanoxidation entkoppelt werden. Die nach Starkregen zu erwartenden erhöhten Methankonzentration führen – nach Messungen der vorliegenden Studie – zu einer erhöhten Methanfreisetzung und damit einer positiven Klimarückkopplung. Um die Funktionalität der mikrobiellen Methanoxidierer im Grundwasser zu gewährleisten, muss es dringend besser vor menschlichen Verunreinigungen geschützt werden. Auch könnte die Wiederherstellung von natürlichen Feuchtgebieten mit erhöhten Wasseraufenthaltszeiten die Methanoxidation in Gewässern fördern und somit einem Anstieg der Methankonzentration beispielsweise durch klimatische und anthropogene Veränderungen vorbeugen.“

„Methan im Grundwasser entsteht durch natürliche Prozesse, wobei man geogen entstandenes Methan (thermogenes Methan) und biogene Quellen (diverse Mikroorganismen) unterscheiden kann. Ein Problem für uns und unsere Umwelt wird es erst dann, wenn Methan in die Atmosphäre gelangt und so den Treibhauseffekt fördert und signifikant zur Klimaerwärmung beiträgt. Gerade durch menschliche Aktivitäten wie beispielsweise Trinkwasserförderung, Geothermie und Bergbau jeglicher Art besteht das Risiko, Grundwasser mit in erhöhten Methankonzentrationen an die Oberfläche zu pumpen und somit eine zusätzliche klimaschädigende Emissionsquelle zu schaffen.“

„Die Studie zeigt für zwei Standorte sehr unterschiedliche Methanquellen. Das Besondere an der Studie ist, dass sie zeigt, wie verschiedene Mikroorganismengruppen auch sehr effizient in der Lage sind, das Methan abzubauen, weil sie es als Energiequelle nutzen können. Dieser Prozess kostet diese Mikroorganismen etwas Zeit, aber sorgt für einen starken Rückgang der Methankonzentration – was hier als mikrobielle Filterfunktion beschrieben wird.”

„Auch der Vergleich der Studie mit anderen Grundwasserstandorten weltweit ist ein sehr wichtiger Ansatz, um die Tragweite dieser Prozesse zu erfassen, da diese ja nicht nur auf die beiden Standorte mit den Grundwasserleitern aus geringer Tiefe begrenzt sind. Tatsächlich wissen wir insgesamt noch relativ wenig über Prozesse in der unterirdischen Biosphäre, greifen aber bereits massiv in dieses Ökosystem ein.“

„Die Studie beinhalte eine ganze Reihe von Analysen: die Messungen von Spurengasen in den Grundwasserleitern aus verschiedenen Tiefen (Methan, Ethan, Propan), mikrobielle Diversitätsstudien von Bakterien und Archaeen, als auch Analysen, um die spezifische Stoffwechselstudien mit markiertem Substrat nachzuweisen und um Quantifizierung durchführen zu können. Alle diese Analysen sind notwendig, um die Interpretationen auf eine solide Datengrundlage zu stellen. Die meisten Autoren sind außerdem ausgewiesene Experten für die verwendeten Methoden, daher gehe ich von einer hohen Präzision dieser Daten aus.“

Auf die Frage, inwiefern eine Skalentransfer auf die globale Maßstabsebene möglich ist, da die Studie nur an zwei Orten in Deutschland durchgeführt wurde (Hainich und Aurich, Karbonat- und Sandgrundwasserleiter):
„Karbonate und Sandsteine sind sehr häufige Sedimente, die auf allen Kontinenten vorkommen. Daher können sie exemplarisch für viele Standorte auf der Welt genutzt werden. Natürlich sind noch andere Gesteinstypen relevant, wie zum Beispiel kristalline Gesteinsarten, wie beispielsweise Granit, zu der die Autoren in der Studie unter Nennung der Untersuchungen in Äspö in Schweden Bezug nehmen. Die Autoren betonen auch, dass sie ihre Berechnungen sehr konservativ durchführen und daher die Methankonzentrationen und auch Methanoxidationsraten eher vorsichtig berechnen.“

Auf die Frage, ob es weitere mikrobielle Methanoxidier gibt, die die Autorinnen und Autoren der Studie nicht berücksichtigt haben:
„Das kann durchaus sein, dass auch noch weitere Mikroorganismen das können, da wir nur bei einem Teil der Mikroorganismen, die es weltweit gibt, alle Fähigkeiten kennen. Das ist aber für diese Studie nicht relevant, da der Fokus auf der Charakterisierung der jeweils an Ort und Stelle vorhandenen mikrobiellen Gemeinschaft lag und deren Fähigkeit, das Methan zu oxidieren.“

Auf die Frage, wie die globale Schätzung zur Verstoffwechselung von Methan durch Mikroben einzuordnen ist und welche Rolle räumliche Heterogenität und Limitationen bei dieser Extrapolation spielen:
„Das habe ich bereits in den anderen Fragepunkten angedeutet. Wir wissen bisher sehr wenig über die unterirdische Biosphäre, Schätzungen über die vorhandene Biomasse sowie das dazugehörige aktive Mikrobiom. Insofern ist diese Studien ein wichtiger Beitrag nicht zur Charakterisierung der unterirdischen Biosphäre, sondern vielmehr zum Prozessverständnis in Grundwasserleitern und auch zur Verdeutlichung von Konsequenzen, die bei unbedachter Nutzung auftreten können.“

Auf die Fragen, inwiefern menschliche Aktivitäten die Senkenfunktion anfälliger macht und welche Rolle sinkende Grundwasserstände für die Filterfunktion spielen, und welche kurz- und langfristigen Folgen ein partieller Ausfall des mikrobiellen Filters auf Methanemissionen in Oberfläche/Atmosphäre hätte:
„Das sind sehr viele spekulative Fragen. Eine ehrliche Antwort wäre, dass man das noch nicht abschätzen kann und daher die Forschung auf diesem Gebiet unbedingt weitergeführt werden sollte. Genau dafür ist die Förderung von Grundlagenforschung notwendig.“

„Methan kann sowohl geogen aus dem tiefen Untergrund an die Oberfläche gelangen, als auch durch methanogene Mikroorganismen unter stark reduzierenden Bedingungen gebildet werden. Ein großes Thema ist auch die Freisetzung von Methan infolge von Leckagen bei der Förderung unkonventioneller Gasvorkommen, dem sogenannten Fracking.“

Das Labeling mit sehr geringen Konzentrationen von ¹⁴C (Methode, die in der Studie angewandt wird, bei dem das radioaktive Kohlenstoff-14-Isotop in ein Molekül eingebaut wird, um eine nachverfolgbare oder datierbare Version dieser Verbindung zu schaffen; Anm. d. Red.) ist eine besondere Herangehensweise. Auf dieser Skala hat ein solcher Feldversuch weltweit einen einzigartigen Charakter. Von daher sind die Ergebnisse sehr wertvoll. Die Extrapolation auf globale Umsätze ist sicherlich mit Vorsicht vorzunehmen, da Umsatzraten immer auch von der Abundanz/dem Vorkommen Methan oxidierender Mikroorganismen abhängt. Wenn man aber annimmt, dass dort, wo es eine kontinuierliche Quelle gibt, mit der Zeit auch die Organismen aufwachsen, dann lässt sich eine solche Schätzung wagen.“

„Dass Methan unter oxischen Bedingungen (Bedingungen in der Wassersäule oder im Sediment mit einer hohen Sauerstoffkonzentration; Anm. d. Red.) mikrobiell umgesetzt wird, ist im Prinzip keine Überraschung, da Mikroorganismen durch die Reaktion große Mengen an Energie abgreifen können. Wenn man darüber hinaus bedenkt, dass Methan erdgeschichtlich immer da gewesen ist, ist zu erwarten, dass es durch die Evolution eine funktionelle Redundanz gibt, sprich, die Umsätze nicht nur von einer Spezies abhängen. Das wird durch die Ergebnisse der Autoren im Prinzip bestätigt. Auch wenn Grundwasserspiegelschwankungen einzelne Spezies beeinträchtigen, würde ich daher erwarten, dass andere ‚in die Bresche‘ springen. Kritischer ist dagegen die Geschwindigkeit, mit der das Methan an die Erdoberfläche migriert. Wenn die Aufenthaltszeit beziehungsweise der Gas-Wasser-Austausch im oxischen Grundwasserleiter zu kurz ist, würde das Methan durchbrechen. Das wird in der Beobachtung der Autoren widergespiegelt, dass höhere Methankonzentrationen weniger effektiv umgesetzt werden. Managementmaßnahmen müssten sich daher darauf konzentrieren, das Methan möglichst lang im Aquifer (Grundwasserleiter; Anm. d. Red.) zu halten.“

„Methan ist zunächst ein zwar brennbares, für den Menschen aber ungiftiges Gas und es stellt für die Trinkwasserversorgung im Gegensatz zu Schadstoffen wie Nitrat oder Pestiziden meist kein Problem dar. Es gibt auch aktuell keinen gesetzlichen Grenzwert in der deutschen Trinkwasserverordnung. Bei sehr hohen Konzentrationen von größer zehn Milligramm pro Liter kann es in Rohrleitungen und technischen Anlagen aber durch Ausgasung zur Bildung von explosionsfähigen Gas-Luft-Gemischen kommen. In der Nutzung solcher Grundwässer ist somit besondere Vorsicht geboten beispielsweise in Brunnenhäusern.“

„Das Methan im Grundwasser stammt entweder aus tieferen Sedimenten oder Gesteinsformationen, von wo abiotisch gebildetes Methan aufsteigt. Auch aus Erdgas-, Erdöl und Kohlelagerstätten können erhebliche Mengen Methan in die darüberliegenden Grundwasserleiter aufsteigen. Sehr hohe Konzentrationen findet man oft auch in anoxischen Grundwasserleitern (Grundwasser, das sehr wenig gelösten Sauerstoff enthält; Anm. d. Red.), in denen biogenes Methan durch methanogene Mikroben aktiv aus gelösten organischen Substanzen produziert wird. Hier gibt es durchaus einen Fußabdruck der Landnutzung, beispielsweise in stark landwirtschaftlich überprägten Gebieten.“

„Methan und seine Emission in die Atmosphäre ist vor allem als Treibhausgas ein Problem. Im Gegensatz zu vielen anderen aquatischen Habitaten und beispielsweise auch Reisfeldern gibt es aber zum Grundwasser bislang noch kaum skalenübergreifende Daten, wieviel Methan vor allem durch aerobe methanotrophe Bakterien wieder abgebaut werden kann, bevor es in den darüberliegenden Boden, in Oberflächengewässer oder auch in die Atmosphäre entweicht.“

„Hier leistet die vorliegende Veröffentlichung echte Pionierarbeit, indem erstmals für zwei repräsentative mitteleuropäische Grundwasserformationen (mit ganz unterschiedlicher Hydrogeologie) mikrobielle Methanoxidationsraten auf größerer Skala präzise quantifiziert und parametrisiert werden. Das eröffnet wichtige neue Türen für die Verbesserung globaler biogeochemischer Modelle.“

„Das Team aus Jena legt einen äußerst umfangreichen und präzisen Datensatz zum Thema vor. Vor allem die extrem sensitive Ratenbestimmung mit ¹⁴C-Methan ist nicht trivial. Auch dadurch begründet sich die hohe Qualität der Publikation. Natürlich hat der Fokus auf nur zwei ausgewählte Grundwassersysteme seine Limitationen, was die Extrapolation auf globale Skalen betrifft. Dessen ist sich das Team aber bewusst und der Aspekt wird angemessen diskutiert. Durch die gefundene sehr starke Korrelation zwischen Methan-Konzentration und -Oxidation an den beiden Standorten können aber dennoch tragfähige globale Projektionen vorgenommen werden. Im Grundwasser gelöstest Methan wird nämlich weltweit vor allem durch Wasserbehörden regelmäßig gemessen und veröffentlicht, diese Daten macht sich das Team aus Jena zu Nutze.“

„Die hier veröffentlichten lokalen Daten und globalen Schätzungen sind zunächst einmal als wichtige Grundlage für die Präzisierung globaler Modelle des Kohlenstoffkreislaufs und der Treibhausgas-Flüsse zu bewerten. Es ist aber nicht so, dass das Grundwasser bislang als wichtige globale Methan-Quelle diskutiert worden wäre. Hier sind andere Systeme wie beispielsweise der Reisanbau, die Viehzucht oder auch der tauende Permafrost sicher ungleich relevanter.“

„Die im Paper vorgenommene Extrapolation sollte in Zukunft sicher noch um einige wichtige Aspekte erweitert werden. Zum einen dürfte die Übertragung auf Grundwasserleiter in tropischen und subtropischen Regionen nicht einfach sein, da sich hier mikrobielle Aktivitäten durch die höheren Grundwassertemperaturen durchaus anders gestalten können. Zum anderen wäre eine explizitere räumliche Allokation der Prozesse und Umsatzraten in Bezug auf die Sauerstoff-Verfügbarkeit wünschenswert. So wird sich die Methanemission aus einem oberflächennahen, anoxischen Grundwasserleiter immer ganz anders gestalten als aus einer tiefen anoxischen Formation mit darüberliegendem oxischen Grundwasser.“

„In dieser Veröffentlichung wird eine wichtige grundlegende Parametrisierung des Grundwassers als ‚Methanfilter‘ vorgenommen. Auch wenn der Einfluss möglicher Störungen dieser Filterfunktion im Paper nicht explizit untersucht wird, ergeben sich relevante Implikationen für den Schutz und Erhalt dieser ökosystemaren Dienstleistung. So ist beispielsweise in den USA bereits gezeigt worden, dass durch das in der Erschließung unkonventioneller Gasressourcen großflächig durchgeführte Fracking eine erhebliche Mobilisierung von Methan in flache Grundwasserleiter verursacht werden kann. Hier bietet die Studie einen wichtigen Ansatz, um die Reaktion oberflächennaher Grundwasserleiter auf solche Störungen besser zu verstehen.“