Freisetzungs- und Umsatzprozesse des Methans in einem Grundwasser-gespeisten Baggersee

Jan Frederik Hartmann1, Yannic Wellach1, Margot Isenbeck-Schröter1, Frank Keppler1
1 Universität Heidelberg, Institut für Geowissenschaften

P 9.7 in Groundwater-surface water-interactions - processes and methods

Im Frühjahr und im Herbst 2017 wurden Messkampagnen zur Charakterisierung des Kohlenstoffumsatzes im Willersinnweiher, einem Baggersee nahe Ludwigshafen (Rheinland-Pfalz), durchgeführt. Der eutrophe Hartwassersee ist etwa 0.17 km2 groß, bis zu 22 m tief und wird durch sulfat-reiches Grundwasser des oberen Kieslagers gespeist. Typischerweise durchläuft der See eine bis in den Spätherbst bestehende Sommerschichtung und ist mono- bis dimiktisch (Schröder, 2004). Mithilfe eines in der Arbeitsgruppe entwickelten M-CRDS-Messsystems (Hartmann et al., submitted) wurden die Konzentration und die stabile Kohlenstoffisotopenzusammensetzung (δ13C) von Methan (CH4) in der Wassersäule bestimmt und durch Messungen der CH4 Konzentration (GC-FID) und δ13C-CH4 (GC-C-IRMS) im Grund- und Porenwasser, sowie der redoxsensitiven Komponenten Eisen (Fe), Mangan (Mn), Sulfat (SO42-) und Sulfid (HS-) ergänzt. Darauf basierend wurden die Freisetzung und der Umsatz von CH4 im Willersinnweiher quantifiziert.

Die Ergebnisse unterstützen die Arbeitshypothese, dass der Umsatz von CH4 im Willersinnweiher eine wichtige Rolle spielt. CH4 wird vor allem durch das anoxische Grundwasser und durch Umsatzprozesse im anoxischen Seesediment in das Seewasser eingetragen, wobei die Umsatzraten saisonal variieren.

Im Sediment wird CH4 durch anaerobe Methanoxidation über Sulfatreduktion in der SMT (sulphate-methane transition)-Zone zu einem hohen Anteil umgesetzt. Dabei wird in den Sedimenten des Flachwasserbereichs deutlich weniger CH4 umgesetzt als in den anoxischen Sedimenten der tieferen Seebereiche. Durch diffussiven Eintrag gelangt CH4 in das Hypolimnion (~ 3000 nmol/L CH4 und δ13C-CH4 -75 ‰) und wird an der Redoxkline über Sauerstoff und möglicherweise auch über Manganoxide oxidiert (< 20 nmol/l CH4 und δ13C-CH4 -48 ‰). Die oxischen Umsätze in der Wassersäule sind dabei um ein Vielfaches geringer als die anoxischen Umsätze im Sediment. Im Oberflächenwasser (Epilimnium) steigt die CH4 Konzentration wieder an und ist gegenüber der Atmosphäre übersättigt (~ 50 nmol/L CH4 und δ13C-CH4 -53 ‰). Die Quelle von CH4 im Epilimnium ist vermutlich das Grundwasser. Eine zusätzliche Freisetzung von CH4 durch autotrophe Organismen ist allerdings nicht auszuschließen (Tang et al., 2016).

Unsere ersten Untersuchungen deuten darauf hin, dass der Willersinnweiher  bezüglich atmosphärischem CH4 als  Quelle anzusehen ist. In Zukunft soll das komplette CH4 Budget des Willersinnweihers detailliert quantifiziert werden, d.h. CH4-Quellen und -Senken mit einem Massenbalance-Ansatz untersucht werden.  

Wir danken Stefan Rheinberger, Silvia Rheinberger, Christian Scholz sowie Markus Greule für die Unterstützung bei der Analytik.



Hartmann, J. F., Gentz, T., Schiller, A., Greule, M., Grossart, H.-P., Ionescu, D., Keppler, F., Martinez-Cruz, K., Sepulveda-Jauregui, A., Isenbeck-Schröter, M., (submitted), A fast and sensitive method for the continuous in-situ determination of dissolved methane and its δ13C-isotope ratio in surface waters.

Schröder, H. (2004), Saisonale Redoxfronten im Kopplungsbereich zwischen Schwefel-, Eisen- und Mangankreislauf im System Seewasser-Sediment-Grundwasser des Willersinnweihers, Dissertation: Naturwissenschaftlich-Mathematische Gesamtfakultät der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg.

Tang, K. W., McGinnis, D. F., Ionescu, D., Grossart, H.-P., (2016), Methane Production in Oxic Lake Waters Potentially Increases Aquatic Methane Flux to Air, Environmental Science&Technology Letters, doi: 10.1021/acs.estlett.6b00150