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14.09.2011 Mikroben an Hydrothermalquellen eliminieren Klimagas Methan
In marinen Sedimenten lagern große Mengen des Treibhausgases Methan, das entweder durch mikrobiellen Stoffwechsel oder durch geothermale Prozesse entsteht. Dennoch gelangt das Methan selten in die Atmosphäre und kann dort seine Wirkung als klimarelevantes Gas entfalten, denn es wird zum großen Teil bereits im Sediment wieder abgebaut. Jetzt berichten Bremer Max-Planck-Forscher und ihre Kollegen über neue mikrobielle Lebensgemeinschaften, die Methan unter Ausschluss von Sauerstoff bei hohen Temperaturen von bis zu 70 °C abbauen können.
Zum biologischen Abbau des Treibhausgases Methan sind nur wenige spezialisierte Mikroorganismen fähig. Bei einigen spielt dabei Sauerstoff als Oxidationsmittel eine Rolle, andere wiederum bauen Methan unter Ausschluss von Sauerstoff ab. Ohne Sauerstoff bauen die Mikroorganismen Methan nur unter speziellen Bedingungen ab, zum Beispiel in einer engen Lebensgemeinschaft von Archaeen und Bakterien. In dem Prozess der Anaeoben Oxidation von Methan (AOM) wird das Methan mit Sulfat als Oxidationsmittel umgesetzt. Die beiden Partner dieser mikrobiellen Konsortien profitieren dabei voneinander, indem die Archaeen das Methan nutzen können, während die Bakterien ihre Energie aus einem bislang unbekannten Zwischenprodukt der Archaeen und Sulfat gewinnen.
Bislang hatte man diese Lebensgemeinschaften zwischen Methan-oxidierenden Archaeen und Sulfat-reduzierenden Bakterien nur in Lebensräumen mit kalten und gemäßigten Temperaturbedingungen von -1,5-20 °C gefunden. Schon lange jedoch wissen die Mikrobiologen, dass die mikrobiellen Prozesse der Sulfatreduktion und Methanogenese, ein der Anaeroben Oxidation von Methan verwandter Stoffwechselweg, bei Temperaturen von bis zu 100°C ablaufen können. So starteten die Max-Planck-Forscher die Suche nach AOM-Konsortien, die auch bei hohen Temperaturen aktiv sind.
Zum biologischen Abbau des Treibhausgases Methan sind nur wenige spezialisierte Mikroorganismen fähig. Bei einigen spielt dabei Sauerstoff als Oxidationsmittel eine Rolle, andere wiederum bauen Methan unter Ausschluss von Sauerstoff ab. Ohne Sauerstoff bauen die Mikroorganismen Methan nur unter speziellen Bedingungen ab, zum Beispiel in einer engen Lebensgemeinschaft von Archaeen und Bakterien. In dem Prozess der Anaeoben Oxidation von Methan (AOM) wird das Methan mit Sulfat als Oxidationsmittel umgesetzt. Die beiden Partner dieser mikrobiellen Konsortien profitieren dabei voneinander, indem die Archaeen das Methan nutzen können, während die Bakterien ihre Energie aus einem bislang unbekannten Zwischenprodukt der Archaeen und Sulfat gewinnen.
Bislang hatte man diese Lebensgemeinschaften zwischen Methan-oxidierenden Archaeen und Sulfat-reduzierenden Bakterien nur in Lebensräumen mit kalten und gemäßigten Temperaturbedingungen von -1,5-20 °C gefunden. Schon lange jedoch wissen die Mikrobiologen, dass die mikrobiellen Prozesse der Sulfatreduktion und Methanogenese, ein der Anaeroben Oxidation von Methan verwandter Stoffwechselweg, bei Temperaturen von bis zu 100°C ablaufen können. So starteten die Max-Planck-Forscher die Suche nach AOM-Konsortien, die auch bei hohen Temperaturen aktiv sind.
Das Guaymas-Becken an der Westküste von Mexiko.
Links: Tauchboot Alvin des Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), mit dem die Forscher mit ihren Kollegen vom WHOI die Sedimentproben auf 2000 m Tiefe entnommen und zumSchiff gebracht haben (Shelly Dawicki © Woods Hole Oceanographic Institution). Rechts: Der Tiefsee-Boden des Guaymas-Beckens, wo die Sedimentkerne mit Alvin entnommen wurden (Mit freundlicher Genehmigung des Woods Hole Oceanograhic Institution).
Fündig geworden sind Thomas Holler und seine Kollegen in Sedimentproben aus dem Guaymas-Becken, in denen sie den Abbau von Methan unter sauerstofffreien Bedingungen verfolgten. Das Guaymas-Becken liegt im Golf von Kalifornien in Mexiko auf einem ozeanischen Rücken, einem seismisch aktiven Bereich. Auseinanderdriftende tektonische Platten lassen entlang dieses Rückens neue Erdkruste entstehen. Aufsteigender, heißer Basalt erhitzt das Sediment, wodurch abgelagertes, organisches Material zu Erdöl, Methan und anderen Kohlenwasserstoffen zerfällt. Heiße Porenwasser treten aus dem Sediment aus und bilden Hydrothermalquellen, an denen eine Vielzahl von Mikroorganismen vom Abbau der Kohlenwasserstoffe lebt. Um das Sediment untersuchen zu können, holten die Forscher Sedimentkerne mit dem bemannten Tauchboot Alvin aus über 2000 m Tiefe herauf.
Thomas Holler sagt: „Im Labor haben wir die Proben inkubiert und dann mit einer Reihe biogeochemischer und molekularbiologischer Methoden untersucht. Dabei konnten wir nachweisen, dass die Anaerobe Oxidation von Methan von einem besonderen mikrobiellen Konsortium betrieben wird, das bei 50 °C optimal arbeitet. Sogar bis 70 °C ist die mikrobielle Gemeinschaft noch in der Lage, Methan zu verarbeiten. Aus der Abbaugeschwindigkeit von Methan (AOM-Rate) konnten wir eine Verdopplungszeit der AOM-Organismen von 68 Tagen bei 50 °C berechnen.“ Sein Kollege Gunter Wegener ergänzt: “Dies mag zwar langsam erscheinen, ist aber für Mikroorganismen, die unter extremen Bedingungen in der Tiefsee leben, wo sehr langsame Verdopplungszeiten von bis zu mehreren hundert Jahren vorkommen können, beachtlich schnell.“
Die jetzt im Guaymas-Becken entdeckte AOM-Gemeinschaft aus dem besteht aus einer neuartigen Gruppe von Methan-oxidierenden Archaeen, die nahe mit der bekannten Archeengruppe ANME-1 (ANaerobe MEthanabbauer) verwandt ist, sowie Sulfat-reduzierenden Bakterien. Diese gehören zu den Deltaproteobakterien und sind stammesgeschichtlich entfernt mit Sulfatreduzierern verwandt, die in vorherigen Untersuchungen als Partner von ANME-1-Archaeen identifiziert wurden. Die beiden Partner bilden Aggregate von bis zu mehreren hundert Zellen. Das besondere bei den Guaymas-Konsortien ist, dass manche auch in einer gemeinsamen, kettenförmigen Hülle zusammenleben. Diese kettenförmige Art der Aggregation beobachteten die Forscher zum ersten Mal für AOM-Organismen.
Thomas Holler sagt: „Im Labor haben wir die Proben inkubiert und dann mit einer Reihe biogeochemischer und molekularbiologischer Methoden untersucht. Dabei konnten wir nachweisen, dass die Anaerobe Oxidation von Methan von einem besonderen mikrobiellen Konsortium betrieben wird, das bei 50 °C optimal arbeitet. Sogar bis 70 °C ist die mikrobielle Gemeinschaft noch in der Lage, Methan zu verarbeiten. Aus der Abbaugeschwindigkeit von Methan (AOM-Rate) konnten wir eine Verdopplungszeit der AOM-Organismen von 68 Tagen bei 50 °C berechnen.“ Sein Kollege Gunter Wegener ergänzt: “Dies mag zwar langsam erscheinen, ist aber für Mikroorganismen, die unter extremen Bedingungen in der Tiefsee leben, wo sehr langsame Verdopplungszeiten von bis zu mehreren hundert Jahren vorkommen können, beachtlich schnell.“
Die jetzt im Guaymas-Becken entdeckte AOM-Gemeinschaft aus dem besteht aus einer neuartigen Gruppe von Methan-oxidierenden Archaeen, die nahe mit der bekannten Archeengruppe ANME-1 (ANaerobe MEthanabbauer) verwandt ist, sowie Sulfat-reduzierenden Bakterien. Diese gehören zu den Deltaproteobakterien und sind stammesgeschichtlich entfernt mit Sulfatreduzierern verwandt, die in vorherigen Untersuchungen als Partner von ANME-1-Archaeen identifiziert wurden. Die beiden Partner bilden Aggregate von bis zu mehreren hundert Zellen. Das besondere bei den Guaymas-Konsortien ist, dass manche auch in einer gemeinsamen, kettenförmigen Hülle zusammenleben. Diese kettenförmige Art der Aggregation beobachteten die Forscher zum ersten Mal für AOM-Organismen.
Mikroskopische Aufnahmen der AOM-Konsortien. Die methanoxidierenden Archaeen sind in rot, die sulfatreduzierenden Bakterien in grün dargestellt. Auf der linken Seite sind die neuartigen, kettenförmigen Aggregate zu sehen (© Thomas Holler, Kathrin Knittel).
Die Wissenschaftler haben damit gezeigt, dass die Anaerobe Oxidation von Methan nicht auf kalte und gemäßigte marine Sedimente beschränkt ist. Thomas Holler sagt: „Bei der AOM und den Folgereaktionen entstehen aus Methan unlösliche Carbonate und Sulfat wird verbraucht. Für uns bleibt interessant herauszufinden, welchen Beitrag diese Konsortien zum globalen Methanabbau liefern und welche Rolle sie für die geologische Gesteinsbildung, beispielsweise die Umbildung von Anhydrit (CaSO4) zu Calcit (CaCO3) spielen. Damit könnten wir ihre Funktion im globalen Kohlenstoffkreislauf genauer beschreiben.“
Rita Dunker
Rückfragen an
Dr. Thomas Holler, Tel. +49 (0)421 2028 732, [Bitte aktivieren Sie Javascript]
Dr. Gunter Wegener, Tel. +49 (0)421 2028 867, gwegener@
mpi-bremen.de
oder an die Pressesprecher
Dr. Rita Dunker, Tel. +49 (0)421 2028 856, [Bitte aktivieren Sie Javascript]
Dr. Manfred Schlösser +49 (0)421 2028 704 mschloes@
mpi-bremen.de
Beteiligte Institute
Max Planck Institute for Marine Microbiology, Bremen, Germany
MARUM, Center for Marine Environmental Sciences, University of Bremen, Bremen, Germany
Department of Marine Sciences, The University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, North Carolina, USA
Alfred Wegener-Institute for Polar and Marine Research, Bremerhaven, Germany
Originalarbeit
Thermophilic anaerobic oxidation of methane by marine microbial consortia. T. Holler, F. Widdel, K. Knittel, R. Amann, M. Y. Kellermann, K.-U. Hinrichs, A. Boetius, and G. Wegener. ISME Journal
DOI: 10.1038/ismej.2011.77
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Department of Marine Sciences, The University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, North Carolina, USA
Alfred Wegener-Institute for Polar and Marine Research, Bremerhaven, Germany
Originalarbeit
Thermophilic anaerobic oxidation of methane by marine microbial consortia. T. Holler, F. Widdel, K. Knittel, R. Amann, M. Y. Kellermann, K.-U. Hinrichs, A. Boetius, and G. Wegener. ISME Journal
DOI: 10.1038/ismej.2011.77