Microben kunnen meer dan de helft van het methaan in grondwater verwijderen, wat wereldwijde emissies vermindert

Onderzoekers ontdekken dat microben in grondwater meer dan de helft van het methaan verbruiken

Grondwater bevat vaak methaan, maar de hoeveelheid van dit belangrijke broeikasgas die kan ontsnappen naar oppervlaktewater of de atmosfeer is hoogst onzeker. Een team van het Max Planck Instituut voor Biogeochemie en de Universiteit van Jena heeft aangetoond dat microben in grondwater de methaanemissies aanzienlijk verminderen, zoals blijkt uit een studie gepubliceerd in PNAS.

De onderzoekers gebruikten een zeer gevoelige radiokoolstof-tracermethode om aan te tonen dat microben meer dan de helft van het methaan in grondwater consumeren voordat het kan worden vrijgegeven. Dit microbieel methaan “filter” beperkt de bijdrage van grondwater aan binnenlands zoetwater en wetlands, de grootste natuurlijke bron van methaan voor de atmosfeer. Methaan is een krachtig broeikasgas, en de warmtevasthoudende capaciteit maakt het op korte termijn veel gevaarlijker dan kooldioxide—ongeveer 84 keer sterker over een periode van 20 jaar—wat snelle verminderingen van methaanemissies een van de snelste manieren maakt om de opwarming van de aarde te vertragen.

Bij hoge concentraties kan dit gas de drinkwaterkwaliteit beïnvloeden en ontsnappen naar de bodem, oppervlaktewater of de atmosfeer. Microbiële oxidatie is de enige bekende biologische methaanput. Echter, de bijdrage van grondwater aan de wereldwijde methaanbalans is zeer onzeker.

Met een nieuw verfijnde radiokoolstof-tracermethode hebben Beatrix M. Heinze, Valérie F. Schwab, Kirsten Küsel en Susan Trumbore van het Max Planck Instituut voor Biogeochemie en de Universiteit van Jena de microbiële methaanconsumptie in grondwater met verschillende lithologieën en methaanconcentraties gemeten. Het werk werd uitgevoerd in samenwerking met Stefan Schloemer en Andreas Roskam van het Federaal Instituut voor Geowetenschappen en Natuurlijke Hulpbronnen en de Staatsdienst voor Waterbeheer, Kust- en Natuurbehoud.

“Onze resultaten onthullen een zeer actief microbieel methaanfilter in grondwater dat een cruciale rol speelt in het beperken van de vrijgave van methaan naar oppervlaktewater, bodem en de atmosfeer,” zegt doctoraalonderzoeker Heinze.

Afhankelijkheid van methaanconcentratie

Het team heeft grondwater bemonsterd uit ondiepe carbonaat- en zandige aquifers in centraal en noordelijk Duitsland met methaanconcentraties die over vijf orde van grootte varieerden, van nauwelijks detecteerbaar tot supersaturatie. De snelheid van microbiële methaanoxidatie varieerde eveneens over vijf orde van grootte en was sterk gecorreleerd met methaanconcentraties in het grondwater.

“Onze methode stelde ons niet alleen in staat om microbiële methaanoxidatie te kwantificeren, maar ook om te bepalen hoeveel van het methaan de microben gebruikten voor het produceren van biomassa,” legt Heinze uit. “We ontdekten dat grondwatermicroben voornamelijk methaan gebruiken om energie te genereren in plaats van biomassa op te bouwen.”

Om deze methoden te ontwikkelen en te verfijnen, heeft Heinze een onderzoeksverblijf gehad aan de Universiteit van Californië, Irvine, ondersteund door de Wetenschappelijke Uitwisselingsfondsen van de Cluster van Excellentie “Balance of the Microverse.” Deze bezoeken stelden haar in staat om geavanceerde radiokoolstofgebaseerde technieken te leren en toe te passen voor het analyseren van microbiële methaanoxidatie in grondwater.

De methaanomzet, de tijd die nodig is voor microben om het beschikbare methaan volledig te consumeren, varieerde van enkele dagen tot enkele decennia, afhankelijk van de concentratie.

“Hoewel we op veel locaties verwachten dat methaan volledig wordt geconsumeerd door de grondwatermicroben, kunnen sommige locaties in noordelijk Duitsland met de hoogste methaanconcentratie een significante bron van methaan zijn voor wetlands of rivieren, van waaruit het naar de atmosfeer kan ontsnappen,” zegt Trumbore, directeur van het Max Planck Instituut voor Biogeochemie in Jena. “Onze studie benadrukt de aanzienlijke onzekerheid over de rol van zoetwaters als natuurlijke methaanbronnen en het belang van het vaststellen van robuuste referentiewaarden voor toekomstige beoordelingen.”

Microben verwijderen wereldwijd meer dan de helft van het methaan in grondwater

Gezien de sterkte van de relatie tussen methaanoxidatiesnelheden en methaanconcentraties, verzamelden de auteurs gepubliceerde gegevens over methaanconcentraties in grondwater wereldwijd. Door hun waargenomen relatie tussen methaanconcentratie en microbiële oxidatie te extrapoleren, schatten ze dat methaan-oxiderende microben jaarlijks tussen de 167 en 778 teragram methaan verwijderen—gelijk aan ongeveer twee derde van het methaan dat wereldwijd in grondwater wordt geproduceerd.

Ter vergelijking, huidige schattingen suggereren dat binnenwateren en wetlands jaarlijks tussen de 164 en 329 teragram methaan uitstoten.

Naast de klimaatimpact vormt methaan bij hoge concentraties ook risico’s voor de kwaliteit van grondwater. “Onze methode kan helpen om potentiële risico’s te identificeren, zelfs in aquifers die als schoon en veilig voor toekomstig gebruik worden beschouwd,” zegt Kirsten Küsel, hoofd van de Cluster van Excellentie “Balance of the Microverse” aan de Universiteit van Jena. “Deze bevindingen onderstrepen de dringende behoefte aan duurzaam grondwaterbeheer om zowel het klimaat als de drinkwatervoorziening te beschermen.”

De studie werd uitgevoerd binnen het kader van het samenwerkingsverband AquaDiva, geleid door Kirsten Küsel, Susan Trumbore en Kai Totsche, een interdisciplinaire initiatief dat zich richt op het begrijpen van de interacties tussen oppervlakte- en ondergrondse ecosystemen en hun reactie op milieuveranderingen. Door expertise uit biogeochemie, hydrogeologie en microbiologie te integreren, streeft AquaDiva ernaar de complexe processen te onthullen die het leven in grondwaterecosystemen beheersen en hun veerkracht tegen klimaatverandering.