Mikroorganizmy w wodach podziemnych ograniczają emisję metanu

Metan (CH₄) to jeden z najpotężniejszych gazów cieplarnianych, który odpowiada za około 30 proc. współczesnego ocieplenia klimatu. Udział ekosystemów wodnych w budżecie jego naturalnej emisji jest znaczący, choć przez cały czas nie do końca zbadany. Ogromne ilości tego gazu zawierają nie tylko wody powierzchniowe, ale też podziemne, choć w przypadku tych drugich faktyczna emisja do atmosfery jest mniejsza, niż można by oczekiwać.

Zespół badaczy z Niemiec postanowił sprawdzić, dlaczego tak się dzieje. Wyniki ich badania, opublikowane 13 października br. w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), wskazują, iż kluczową rolę w procesie odgrywają mikroorganizmy – niewidoczna armia metanotrofów, które zjadają metan, zanim zdąży się on wydostać na powierzchnię.

Skąd bierze się metan w wodach podziemnych?

Metan w wodach gruntowych pochodzi z dwóch głównych źródeł. Większość powstaje w wyniku działalności mikroorganizmów beztlenowych (metanogenezy), a mniejsza część pochodzi z procesów termogenicznych, czyli rozpadu organicznej materii zdeponowanej w skorupie ziemskiej. Naukowcy z wiodących jednostek naukowych w Niemczech zbadali dwa typy środowisk: wapienne wody podziemne w regionie Hainich, o niskim stężeniu metanu, oraz piaszczyste wody w okolicach Aurich, gdzie metanu było znacznie więcej. Stężenia CH₄ w próbkach wahały się od zaledwie 0,00015 mg/l do choćby 36 mg/l, co oznacza różnicę aż pięciu rzędów wielkości.

Analiza obecności radioaktywnych izotopów węgla i węglowodorów towarzyszących (etanu i propanu) wykazała, iż metan w Aurich ma pochodzenie biogeniczne – powstaje dzięki współczesnym mikroorganizmom. Z kolei w wodach wapiennych Hainich część gazu ma charakter kopalny i pochodzi z okresu sięgającego milionów lat wstecz.

Niewidzialny filtr: mikroorganizmy utleniające metan

Jedynym biologicznym procesem, który jest w stanie usunąć metan ze środowiska naturalnego, jest utlenianie przez mikroorganizmy. Naukowcy postanowili zmierzyć tempo tego procesu w terenie, wprowadzając do pobranych próbek śladowe ilości radioaktywnego ¹⁴C-metanu. Dzięki temu mogli określić, ile metanu zostało przekształcone w dwutlenek węgla, a ile zostało wbudowane w biomasę mikroorganizmów.

Okazało się, iż tempo utleniania wahało się od zaledwie 0,001 µgC/l/d w wodach w wapiennych warstwach wodonośnych do ponad 74 µgC/l/d w bogatych w metan wodach w warstwach piaszczystych. Zależność była wyraźna: im więcej metanu, tym wyższe tempo działania mikroorganizmów – współczynnik korelacji wynosił aż 0,97.

Czas potrzebny na całkowite utlenienie metanu różnił się w zależności od środowiska: w wodach w warstwach wapiennych wynosił średnio od 2 miesięcy do roku, a w piaszczystych – od roku do ponad siedmiu lat. Choć proces jest powolny, w skali czasu przepływu wód podziemnych (zazwyczaj kilka–kilkadziesiąt lat) wydaje się wystarczająco skuteczny, by zasadniczo ograniczyć emisje metanu.

Kto zjada metan?

W analizowanych próbkach dominowały bakterie tlenowe z grupy Type I (Gammaproteobacteria) oraz archeony z kladu ANME-2d (Candidatus Methanoperedens), zdolne do beztlenowego utleniania metanu z udziałem związków żelaza i manganu. W niektórych próbkach te mikroorganizmy stanowiły choćby 25 proc. całego zespołu drobnoustrojów.

Najczęściej spotykanymi gatunkami były Crenothrix i Methylobacter – znane z wydajnego utleniania metanu w jeziorach i rzekach. W wodach warstw wapiennych, gdzie tempo reakcji było niższe, dominowały z kolei mikroorganizmy z rodzaju Candidatus Methylomirabilis i z rodziny Methylacidiphilaceae, zdolne do nietypowej, tzw. wewnątrztlenowej oksydacji metanu z wykorzystaniem azotanów i azotynów.

Autorzy badania stwierdzili, żeogromnawiększość metanu nie trafiała do biomasy, ale była całkowicie spalana do CO₂. Zaledwie w dwóch studniach część węgla metanowego została wykorzystana do budowy komórek, odpowiednio 16,9 proc. i 4,3 proc. Dla większości mikroorganizmów metan stanowił więc źródło energii, a nie materiał budulcowy. Średnie tempo przyswajania węgla z metanu było choćby dziesięciokrotnie mniejsze niż tempo jego utleniania.

Podziemny filtr o globalnym znaczeniu

Autorzy porównali swoje wyniki z danymi z 70 innych badań obejmujących jeziora, rzeki, estuaria, oceany i bagna. Ku zaskoczeniu badaczy, średnie tempo utleniania metanu w wodach podziemnych (0,22 µg CH4/l/d) mieściło się w tym samym zakresie, co w jeziorach, rzekach i ich ujściach – i było znacznie wyższe niż w wodach oceanicznych.

Na podstawie globalnych danych o objętości i składzie wód podziemnych badacze oszacowali, iż mikroorganizmy w tych środowiskach mogą rocznie utleniać od 167 do 778 mln t metanu. Oznacza to, iż choćby dwie trzecie tego gazu w wodach podziemnych ulega rozkładowi przed wydostaniem się na powierzchnię. Skala tego procesu czyni z wód gruntowych jeden z najważniejszych, a dotąd niedocenianych, globalnych pochłaniaczy CH₄ – pięciokrotnie silniejszy niż gleby i choćby trzykrotnie większy niż bagna i wody śródlądowe razem wzięte.

Co to oznacza dla przyszłości?

Badacze podkreślają, iż ich dane najprawdopodobniej zaniżają rzeczywiste tempo utleniania metanu, ponieważ nie uwzględniają mikroorganizmów osiadłych na cząstkach gruntu, które często są znacznie liczniejsze od tych unoszących się w wodzie. Mimo to wyniki jasno wskazują: mikrobiologiczna filtracja metanu w wodach podziemnych to najważniejszy element globalnego bilansu gazów cieplarnianych.

Jednocześnie autorzy ostrzegają, iż rozwój eksploatacji głębokich wód może nieść ryzyko uwolnienia uwięzionego tam metanu. Wraz z ocieplaniem się klimatu i wzrostem temperatur wód podziemnych, aktywność metanogennych mikroorganizmów może się zwiększyć, co z kolei wymaga monitorowania tego zjawiska w ramach oceny jakości wód.

Niewidzialny sprzymierzeniec klimatu

Choć o mikroorganizmach żyjących dziesiątki metrów pod ziemią rzadko się mówi, ich rola okazuje się nie do przecenienia. Działają jak gigantyczny, naturalny filtr, który ogranicza emisję jednego z najgroźniejszych gazów cieplarnianych. Autorzy badania podkreślają, iż rozumienie tego podziemnego ekosystemu to nie tylko fascynujące wyzwanie naukowe, ale również istotny element strategii ochrony klimatu – bez mikroskopijnych strażników globalne ocieplenie prawdopodobnie postępowałoby jeszcze szybciej.

Źródło:

B.M. Heinze,V.F. Schwab,K. Küsel,S. Schloemer,A. Roskam,X. Xu, & S. Trumbore, Microbial oxidation significantly reduces methane export from global groundwaters, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (42) e2508773122, https://doi.org/10.1073/pnas.2508773122 (2025)