Les eaux souterraines contiennent généralement du méthane, mais la quantité de cet important gaz à effet de serre qui peut s'échapper vers les eaux de surface ou dans l'atmosphère est très incertaine. Une équipe de l'Institut Max Planck de biogéochimie et de l'Université de Jena a montré que les microbes présents dans les eaux souterraines réduisent considérablement les émissions de méthane, comme le révèle une étude publiée dans PNAS.
Les chercheurs ont utilisé une méthode de traçage au radiocarbone très sensible pour démontrer que les microbes consomment plus de la moitié du méthane des eaux souterraines avant de pouvoir être libéré. Ce « filtre » microbien à méthane limite la contribution des eaux souterraines aux eaux douces intérieures et aux zones humides, la plus grande source naturelle de méthane dans l’atmosphère.
Le méthane est un puissant gaz à effet de serre, et sa capacité à piéger la chaleur le rend bien plus dangereux que le dioxyde de carbone à court terme – environ 84 fois plus puissant sur 20 ans – ce qui fait de la réduction rapide des émissions de méthane l’un des moyens les plus rapides de ralentir le réchauffement climatique. Les eaux souterraines contiennent souvent du méthane provenant de sources microbiennes ou fossiles.
À des concentrations élevées, ce gaz peut affecter la qualité de l’eau potable et s’échapper dans les sols, les eaux de surface ou dans l’atmosphère. L’oxydation microbienne est le seul puits biologique de méthane connu. Cependant, la contribution des eaux souterraines aux bilans mondiaux de méthane est très incertaine.
À l’aide d’une technique de traceur au radiocarbone récemment perfectionnée, Beatrix M. Heinze, Valérie F. Schwab, Kirsten Küsel et Susan Trumbore, de l’Institut Max Planck de biogéochimie et de l’Université de Jena, ont mesuré la consommation microbienne de méthane dans les eaux souterraines présentant différentes lithologies et concentrations de méthane.
Les travaux ont été menés en collaboration avec Stefan Schloemer et Andreas Roskam de l'Institut fédéral des géosciences et des ressources naturelles et de l'Agence nationale pour la gestion de l'eau, le littoral et la conservation de la nature.
« Nos résultats révèlent un filtre microbien à méthane très actif dans les eaux souterraines qui joue un rôle crucial dans la limitation de la libération de méthane dans les eaux de surface, les sols et l'atmosphère », explique le doctorant Heinze.
L'élimination du méthane dépend de la concentration de méthane
L’équipe a échantillonné les eaux souterraines d’aquifères carbonatés et sableux peu profonds du centre et du nord de l’Allemagne, avec une concentration de méthane allant de cinq ordres de grandeur, de à peine détectable à sursaturé. Les taux d’oxydation microbienne du méthane variaient de la même manière sur cinq ordres de grandeur et étaient fortement corrélés aux concentrations de méthane dans les eaux souterraines.
« Notre méthode nous a non seulement permis de quantifier l'oxydation microbienne du méthane, mais également de déterminer la quantité de microbes méthane utilisés pour produire de la biomasse », explique Heinze. « Nous avons découvert que les microbes des eaux souterraines utilisent principalement le méthane pour générer de l'énergie plutôt que pour produire de la biomasse. »
Pour développer et affiner ces méthodes, Heinze a mené un séjour de recherche à l'Université de Californie à Irvine, soutenu par les fonds d'échange scientifique du pôle d'excellence « Balance of the Microverse ». Ces visites lui ont permis d'apprendre et d'appliquer des techniques avancées basées sur le radiocarbone pour analyser l'oxydation microbienne du méthane dans les eaux souterraines.
Le renouvellement du méthane, le temps nécessaire aux microbes pour consommer pleinement le méthane disponible, variait de quelques jours à plusieurs décennies, selon la concentration.
« Alors que sur de nombreux sites, nous nous attendons à ce que le méthane soit entièrement consommé par les microbes des eaux souterraines, certains sites du nord de l'Allemagne présentant la plus forte concentration de méthane peuvent constituer une source importante de méthane pour les zones humides ou les rivières, d'où il peut être émis dans l'atmosphère », explique Trumbore, directeur de l'Institut Max Planck de biogéochimie de Jena.
« Notre étude met en évidence l'incertitude considérable quant au rôle des eaux douces en tant que sources naturelles de méthane et l'importance d'établir des bases de référence solides pour les évaluations futures. »
Les microbes éliminent plus de la moitié du méthane des eaux souterraines dans le monde
Compte tenu de la force de la relation entre les taux d’oxydation du méthane et les concentrations de méthane, les auteurs ont collecté des données publiées sur les concentrations de méthane dans les eaux souterraines du monde entier.
En extrapolant la relation observée entre la concentration de méthane et l’oxydation microbienne, ils estiment que les microbes oxydant le méthane éliminent entre 167 et 778 téragrammes de méthane par an, soit l’équivalent d’environ les deux tiers du méthane produit dans les eaux souterraines du monde.
À titre de comparaison, les estimations actuelles suggèrent que les eaux intérieures et les zones humides émettent entre 164 et 329 téragrammes de méthane par an.
Outre son impact climatique, le méthane en forte concentration présente des risques pour la qualité des eaux souterraines. « Notre méthode peut aider à identifier les risques potentiels même dans les aquifères considérés comme propres et sûrs pour une utilisation future », explique Kirsten Küsel, responsable du pôle d'excellence « Balance of the Microverse » de l'Université de Jena.
« Ces résultats soulignent le besoin urgent d'une gestion durable des eaux souterraines afin de protéger à la fois le climat et les ressources en eau potable. »
L'étude a été menée dans le cadre du Centre de recherche collaborative AquaDiva, dirigé par Kirsten Küsel, Susan Trumbore et Kai Totsche, une initiative interdisciplinaire axée sur la compréhension des interactions entre les écosystèmes de surface et souterrains et leur réponse aux changements environnementaux.
En intégrant l'expertise de la biogéochimie, de l'hydrogéologie et de la microbiologie, AquaDiva vise à découvrir les processus complexes qui régissent les écosystèmes d'eaux souterraines et leur résilience au changement climatique.
