Мікроби знищують понад половину метану у підземних водах

Підземні води часто містять метан, але кількість цього важливого парникового газу, яка може потрапити в поверхневі води або атмосферу, залишалася невизначеною. Команда з Інституту біогеохімії Макса Планка та Єнського університету показала, що мікроби в підземних водах значно зменшують викиди метану. Результати дослідження опубліковані в журналі PNAS.

Науковці використали високочутливий метод радіовуглецевого трасування, щоб продемонструвати, що мікроби споживають більше половини метану з підземних вод, перш ніж він може бути вивільнений. Цей мікробний «фільтр» метану обмежує внесок підземних вод у прісноводні водойми та болота, які є найбільшим природним джерелом метану в атмосфері.

Метан є потужним парниковим газом, і його здатність утримувати тепло робить його набагато небезпечнішим за вуглекислий газ у короткостроковій перспективі. Протягом 20 років метан приблизно в 84 рази сильніший за вуглекислий газ, що робить швидке скорочення викидів метану одним із найшвидших способів уповільнити глобальне потепління. Підземні води часто містять метан мікробного або викопного походження.

У високих концентраціях цей газ може впливати на якість питної води та виходити в ґрунти, поверхневі води або атмосферу. Мікробне окислення є єдиним відомим біологічним поглиначем метану. Однак внесок підземних вод у глобальні бюджети метану залишається дуже невизначеним.

Використовуючи нещодавно вдосконалену техніку радіовуглецевого трасування, Беатрікс Гайнце, Валері Шваб, Кірстен Кюзель та Сьюзан Трамбор з Інституту біогеохімії Макса Планка та Єнського університету виміряли споживання метану мікробами в підземних водах з різними літологіями та концентраціями метану.

Робота проводилася у співпраці зі Стефаном Шльомером та Андреасом Роскамом з Федерального інституту геонаук і природних ресурсів та Державного агентства з управління водними ресурсами, прибережними зонами та охорони природи.

«Наші результати виявляють високоактивний мікробний фільтр метану в підземних водах, який відіграє вирішальну роль в обмеженні викиду метану в поверхневі води, ґрунти та атмосферу», каже докторантка Гайнце.

Команда відібрала проби підземних вод з неглибоких карбонатних та піщаних водоносних горизонтів у центральній та північній Німеччині з концентрацією метану, яка варіювалася в межах п'яти порядків величини, від ледве виявленої до перенасиченої. Швидкість мікробного окислення метану також варіювалася в межах п'яти порядків величини і була тісно пов'язана з концентрацією метану в підземних водах.

«Наш метод дозволив нам не лише кількісно визначити мікробне окислення метану, але й визначити, скільки метану мікроби використовували для виробництва біомаси», пояснює Гайнце. «Ми виявили, що мікроби підземних вод в основному використовують метан для генерації енергії, а не для побудови біомаси».

Для розробки та вдосконалення цих методів Гайнце провела дослідницьке стажування в Каліфорнійському університеті в Ірвайні за підтримки Фондів наукового обміну Кластера досконалості «Баланс мікросвіту». Ці візити дозволили їй вивчити та застосувати передові методи на основі радіовуглецю для аналізу мікробного окислення метану в підземних водах.

Оборот метану, тобто час, необхідний мікробам для повного споживання наявного метану, коливався від кількох днів до кількох десятиліть залежно від концентрації.

«Хоча на багатьох ділянках ми очікуємо, що метан буде повністю спожитий мікробами підземних вод, деякі ділянки в північній Німеччині з найвищою концентрацією метану можуть бути значним джерелом метану для боліт або річок, звідки він може викидатися в атмосферу», каже Трамбор, директорка Інституту біогеохімії Макса Планка в Єні.

«Наше дослідження підкреслює значну невизначеність щодо ролі прісноводних водойм як природних джерел метану та важливість встановлення надійних базових показників для майбутніх оцінок».

Враховуючи силу зв'язку між швидкістю окислення метану та концентрацією метану, автори зібрали опубліковані дані про концентрації метану в підземних водах по всьому світу.

Екстраполюючи виявлений зв'язок між концентрацією метану та мікробним окисленням, вони оцінюють, що мікроби, які окислюють метан, видаляють від 167 до 778 тераграмів метану щорічно. Це еквівалентно приблизно двом третинам метану, що виробляється в підземних водах у всьому світі.

Для порівняння, поточні оцінки свідчать, що внутрішні водойми та болота викидають від 164 до 329 тераграмів метану на рік.

Окрім впливу на клімат, метан у високих концентраціях створює ризики для якості підземних вод. «Наш метод може допомогти виявити потенційні ризики навіть у водоносних горизонтах, які вважаються чистими та безпечними для майбутнього використання», каже Кірстен Кюзель, керівниця Кластера досконалості «Баланс мікросвіту» в Єнському університеті.

«Ці висновки підкреслюють нагальну потребу в сталому управлінні підземними водами для захисту як клімату, так і ресурсів питної води».

Дослідження проводилося в рамках Спільного дослідницького центру AquaDiva, який очолюють Кірстен Кюзель, Сьюзан Трамбор та Кай Тотше. Це міждисциплінарна ініціатива, зосереджена на розумінні взаємодій між поверхневими та підземними екосистемами та їхньої реакції на зміни навколишнього середовища. Інтегруючи експертизу з біогеохімії, гідрогеології та мікробіології, AquaDiva має на меті розкрити складні процеси, які керують екосистемами підземних вод та їхньою стійкістю до зміни клімату.