05.11.2012 Autotrophe Methanoxidierer

Seltsame Ernährungsgewohnheiten von Methan oxidierenden Mikroorganismen: Methan liefert die Energie, nicht aber den Kohlenstoff


Methan entsteht unter Luftabschluss durch natürliche biologische und physikalische Prozesse zum Beispiel im Meeresboden. Als Treibhausgas wirkt es deutlich stärker als Kohlendioxid. Den Mikroorganismen haben wir es zu verdanken, dass ein Großteil dieses Gases wieder inaktiviert wird, bevor es in die Atmosphäre gelangt und dort seine klimabeeinflussende Wirkung entfalten kann. Forscher aus Bremen haben jetzt nachgewiesen, dass die beim Abbau des Methans beteiligten Mikroorganismen sehr wählerisch bezüglich ihrer Nahrung sind. Ihre Ergebnisse haben sie in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) publiziert.

Vor dem Tauchgang diskutieren Matthias Kellermann (links) und Gunter Wegener das Vorgehen. (Foto: Kai-Uwe Hinrichs)

Trotz eisiger Kälte des Kühlraums war die Stimmung gut. Matthias Kellermann und Yu-ShihLin mussten sich Thermokleidung anziehen, denn die subtropischen Temperaturen draußen schaden den empfindlichen Proben aus 2000 Metern Tiefe, wo die Temperaturen um die 4 Grad liegen (Foto: Kai-Uwe Hinrichs).

Kohlenstoff ist Grundbaustein...
Alles Leben auf der Erde basiert auf Kohlenstoff und seinen Verbindungen. Die wichtigen Zellbestandteile aller Lebewesen enthalten Kohlenstoff. Diesen Grundbaustein kann die Zelle entweder in Form von organischem Material zu sich nehmen; oder die Zelle bezieht ihren Kohlenstoff aus anorganischen Verbindungen wie dem Kohlendioxid. Forscher sprechen im ersten Fall von heterotrophen, im zweiten von autotrophen Organismen. Alle Pflanzen und viele Bakterien und Archaeen sind Autotrophe, während alle Tiere, einschließlich der Menschen, zu den Heterotrophen zählen. Die Autotrophen bilden die Basis für das Leben der Heterotrophen und aller höheren Lebensformen, indem sie anorganischen Kohlenstoff aufnehmen, um organisches Material aufzubauen.

... und kann auch Energiequelle sein
Neben Kohlenstoff als Grundlage für das Zellwachstum braucht jede Zelle Energie, um die Lebensprozesse in Gang zu halten. Methan kann solch ein Treibstoff sein. Bei den vor mehr als zehn Jahren von Bremer Forschern entdeckten Mikroben, die unter anoxischen, also sauerstofffreien Bedingungen Methan aufnehmen, gingen die Wissenschaftler bislang davon aus, dass das Methan sowohl den Kohlenstoff als auch die Energie liefert.

In der aktuellen PNAS-Studie zeigen Bremer Wissenschaftler vom MARUM und dem Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie jedoch, dass der Kohlenstoff aus dem Methanmolekül von den im Meer lebenden Archaeen als Grundbaustein verschmäht wird. „In unseren Wachstumsversuchen wurde markierter Kohlenstoff aus dem Methan nicht direkt in das Zellmaterial eingebaut, wohl aber der Kohlenstoff aus dem Kohlendioxid. Das war schon eine Überraschung“, sagt PNAS-Autor Matthias Kellermann. Die Archaeen verhalten sich also genau so, wie es von so genannten Chemoautotrophen zu erwarten ist.

“Die Archaeen und die Sulfat reduzierenden Bakterien leben zusammen in Konsortien, die extrem langsam wachsen. Doch nur im neu entstanden Zellmaterial in Form von Lipiden konnten wir die Antwort auf unsere Frage finden, woher der Kohlenstoff stammt,“ ergänzt Kai-Uwe Hinrichs, Leiter der organischen Geochemie am MARUM.


Co-Autor Gunter Wegener vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie bilanziert: “Mit dem neuen Wissen können wir unsere Studien zum Methanabbau besser auswerten. Unsere überraschenden Ergebnisse verdeutlichen letztlich auch, dass viele mechanistische Details dieses global relevanten Prozesses immer noch unverstanden sind.“

Die für diese Studie genommenen Proben stammen aus dem Guaymas-Becken an der Westküste Mexikos. Sie wurden mit dem US-Tauchboot Alvin aus einer Tiefe von über 2.000 Metern geborgen.

Manfred Schlösser

Kai-Uwe Hinrichs bereitet die Probenahme vor. Mit dem Greifarm des Tauchboots können die Forscher gezielt Sedimentkerne ziehen. (Foto: M. Kellermann)

Weitere Informationen/Bildmaterial/Interviews:
Dr. Manfred Schloesser, +49 421 2028704, mschloes mpi-bremen.de
Dr. Rita Dunker, +49 421 2028856, rdunker mpi-bremen.de
Albert Gerdes, +49 421 21865540, [Bitte aktivieren Sie Javascript]


Beteiligte Institute

Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie Bremen
MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften an der Universität Bremen


Originalartikel
Autotrophy as a predominant mode of carbon fixation in anaerobic methane-oxidizing microbial communities
Matthias Y. Kellermann, Gunter Wegener, Marcus Elvert, Marcos Yukio Yoshinaga, Yu-Shih Lin,
Thomas Holler, Xavier Prieto Mollar, Katrin Knittel, and Kai-Uwe Hinrichs
PNAS doi/10.1073/pnas.1208795109