Mit einer MICOS-Apparatur messen Nina Ulrich (links) und Karla Martinez-Cruz auf der Großen Fuchskuhle im Freiwasser gelöste Methan- und Kohlendioxidkonzentrationen. | Foto: IGB
Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) zählen zu den klimawirksamen Treibhausgasen. Beide verändern den Strahlungshaushalt der Erde und beschleunigen so die globale Erderwärmung. Einen Anteil daran haben auch natürliche Emissionen aus Seen, Flüssen und Feuchtgebieten. – Anlass für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB), die Prozesse zu untersuchen, die zur Freisetzung von Klimagasen aus Gewässern führen.
Höhere Temperaturen führen zu steigenden Methanemissionen
Methan entsteht in Gewässern normalerweise beim Abbau organischer Materialien im Sediment. In kleinen Gasbläschen steigt es dann vom Grund bis an die Wasseroberfläche und gelangt so in die Atmosphäre. Dieser Prozess ist von der Temperatur und von der Verfügbarkeit organischen Materials abhängig. So emittieren beispielsweise Stauseen in den Tropen besonders viel Methan. Überflutete Regenwaldgebiete und höhere Temperaturen schaffen dort einen optimalen Mix für Zersetzungsprozesse und somit auch für die Bildung von Methan. So könnte der weltweite Staudammboom zu einer Zunahme der Treibhausgasemissionen führen, wiederum begünstigt durch den Temperaturanstieg. Eine niederländische Laborstudie unter Beteiligung des IGB zeigte, dass ein Anstieg von nur 1°C die Methanfreisetzung der Gewässer um 6 bis 20 Prozent erhöht. Ein Anstieg von 4°C führte im Labor zu 51 Prozent mehr Methanemissionen.
Doch Methan wird nicht nur im Sediment von Seen, sondern auch in der sauerstoffhaltigen Wassersäule gebildet. In der warmen Jahreshälfte kann dieser Prozess in einigen Gewässern sogar bis zu 90 Prozent der Methanfreisetzung ausmachen. Forschende haben herausgefunden, dass Blaualgen (Cyanobakterien) dabei eine wichtige Rolle spielen. Sie können Methan bilden und gehören zu den Profiteuren des Klimawandels. Somit begünstigen globale Umweltveränderungen wie Erderwärmung und die Anreicherung von Nährstoffen in Gewässern (Eutrophierung) die Methanbildung.
Wärme begünstigt gleichzeitig den Methanabbau
Grundsätzlich kann das im Sediment oder im Wasser gebildete Methan aber auch direkt im Gewässer abgebaut werden, nämlich durch Mikroorganismen, die Methan verstoffwechseln. Das ist sogar unter Sauerstoffausschluss möglich, da diese Mikroben andere sauerstoffhaltige Verbindungen wie Nitrit, Nitrat oder Sulfat nutzen. Diese anaerobe Methanoxidation kann ein Drittel des im Sediment gebildeten CH4 der Emission entziehen. Wie die Bildung ist auch dieser mikrobielle Prozess von der Temperatur abhängig. Die Erderwärmung kann also beides forcieren: die Bildung und den Verbrauch von Methan.
Moore sind natürliche Methanquellen
Als mikrobielles Abbauprodukt entsteht Methan auch in Mooren. Global betrachtet sind Feuchtgebiete sogar die dominierenden natürlichen Methanquellen. Besonders viel Methan können vormals trockengelegte Moorflächen freisetzen, die durch Wiedervernässung restauriert werden. Solche Wiedervernässungen haben Vorteile für die Biodiversität und binden Kohlenstoff in den Torfen des wachsenden Moores. Doch auf den in Mitteleuropa verbreiteten Niedermooren entstehen dabei häufig Flachseen, die in der Anfangsphase große Mengen des Treibhausgases Methan freisetzen. Neben der guten Verfügbarkeit organischen Materials in Form von Pflanzenresten hat ein Wissenschaftlerteam mit IGB-Beteiligung einen weiteren Grund entdeckt: Bei anhaltender Überstauung der Torfböden treten zunächst deutlich mehr methanbildende als methanabbauende Mikroben auf.
Rolle städtischer Gewässer bislang unterschätzt
Methan wird auch freigesetzt, wenn Gewässer zu hohe Konzentrationen an Nährstoffen wie Phosphor und Stickstoff enthalten, so zum Beispiel aus urbanen Seen, Kanälen oder Flüssen. In vielen Städten nehmen sie einen beachtlichen Teil der Fläche ein, in Berlin knapp 7 Prozent.
Im Rahmen der DFG-Graduiertenschule „Urban Water Interfaces“ untersuchten Doktoranden die Methanfreisetzung aus 32 Berliner Gewässern. Sie fanden heraus, dass kleine Teiche mit mehr als 150 Milligramm Methan pro Quadratmeter und Tag die höchsten Emissionen aufweisen, fünfmal höher als bei den untersuchten Flüssen. Im Durchschnitt waren die Emissionsraten der Gewässer des Stadtgebiets Berlin mehr als doppelt so hoch wie globale Mittelwerte. Forscher vermuten, dass der weltweite Trend zur Urbanisierung somit zu weiter steigenden Treibhausgasemissionen aus aquatischen Systemen führen könnte.
Höhere Kohlendioxidemissionen durch trockenfallende Gewässer
Erwärmt sich die Erde, steigt auch die Zahl der Flüsse und Bäche, die im Jahresverlauf ganz oder teilweise trockenfallen. Sogenannte intermittierende Fließgewässer machen heute schon über die Hälfte des globalen Flussnetzes aus. In ihren trockenen Flussbetten sammeln sich erhebliche Mengen von Pflanzenresten an, aus denen – sobald das Wasser wieder fließt – eine pulsartige Stofffreisetzung stattfindet. Dieser Prozess führt zu kurzfristig hohen CO2-Emissionen. Ein internationales Forscherteam untersuchte weltweit 212 solcher Flüsse und konnte nachweisen, dass die Freisetzung von Kohlendioxid aus diesen Flussnetzen deutlich höher liegt, als in Prognosen bislang angenommen und zwar um 7 bis sogar 152 Prozent.
Tauende Permafrostböden setzen Kohlenstoff und Methan frei
In anderen Teilen der Erde, zum Beispiel in Sibirien, führt die Erderwärmung zu einem Rückgang von dauerhaft gefrorenen Böden, sogenanntem Permafrost. Tauen diese auf, gelangen riesige Mengen an zuvor gefrorenem Kohlenstoff in Bäche und Flüsse. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass der Kohlenstoff bereits in den Flüssen Westsibiriens umgesetzt wird und diese somit mehr Kohlenstoff an die Atmosphäre abgeben als sie in den Arktischen Ozean transportieren. Im Durchschnitt emittieren diese Flüsse pro Quadratmeter so viel CO2 wie eine Stadt der Größe Leipzigs pro Quadratmeter. Gleichzeitig entweicht auch Methan in erheblichen Mengen aus den tauenden Böden.
Die aktuellen Ergebnisse zeigen, dass Gewässer eine wichtige Rolle für die Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre spielen. Dabei hängt es von ganz konkreten Umweltbedingungen ab, ob sie als Senke oder als Quelle für Treibhausgase wirken. Das macht deutlich, wie schwierig die Abschätzung künftiger Emissionen ist. Nehmen die Erderwärmung sowie gleichzeitig die Belastung der Gewässer mit Nährstoffen zu, ist jedoch davon auszugehen, dass Emissionen aus Gewässern steigen werden und so den Klimawandel beschleunigen.
