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Methan
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Methanabbau durch Bakterien

Barbara Schick,

Methanotrophe in sauerstofffreien Gewässerschichten

Methan ist ein starkes Treibhausgas, das vielerorts im Meer und in Süßgewässern entsteht. Vor allem Seen setzen große Mengen des klimaschädlichen Gases frei. Es gibt jedoch Mikroorganismen, sog. Methanotrophe, die Methan für ihr Wachstum und zur Energiegewinnung nutzen können und so dazu beitragen, dass Methan aus Gewässern in die Atmosphäre gelangt. Die Methanotrophen umfassen verschiedene Gruppen von Mikroorganismen, die noch nicht umfassend untersucht sind. Eine Studie von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen und der Schweizer Eawag, die im Fachmagazin Nature Communications erschienen ist, zeigt die Fähigkeiten einiger dieser Organismen.
Boot auf dem ZugerseeBilder
Die Proben wurden aus dem Zugersee genommen. © Juliane Schötz/Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

Assimilation von Methan

Forschende um Sina Schorn und Jana Milucka vom Bremer Max-Planck-Institut haben die Aktivität und das Wachstum von MOB im Schweizer Zugersee untersucht. Dieser See ist fast 200 Meter tief und ab einer Tiefe von etwa 120 Metern dauerhaft sauerstofffrei. Trotzdem findet man in diesem sauerstofffreien Wasser aerobe methanoxidierende Bakterien (kurz MOB), die eigentlich auf Sauerstoff angewiesen sind. Ob und wie sie in dem sauerstofffreien Wasser Methan abbauen können, war bisher unklar. Das Team um Schorn und Milucka wollte daher einen genaueren Blick auf die Aktivität dieser Mikroorganismen werfen. Sie nutzten für ihre Studie Methanmoleküle (CH4), die mit Kohlenstoffatomen des Isotops 13C markiert wurden. Dieses 13C-markierte Methan wurde Proben mit Seewasser samt den darin lebenden Mikroorganismen zugesetzt, und anschließend wurde der Weg des enthaltenen schweren Kohlenstoffs (13C) in einzelnen Zellen mit Hilfe eines besonderen Massenspektrometers, des sogenannten NanoSIMS (Nanoscale-Secondary Ion Mass Spectrometer), verfolgt. So konnten die Forschenden herausfinden, wie die Bakterien das Methan zur Energiegewinnung in das weniger klimaschädliche Kohlendioxid umwandeln. Ein Teil des Kohlenstoffs wurde auch direkt in die Bakterienzellen eingebaut. Daraus war ersichtlich, welche Zellen in der Bakteriengemeinschaft aktiv waren und welche nicht. Mittels Metagenomik und Metatranskriptomik untersuchten sie zudem, welche Stoffwechselwege die Bakterien dabei benutzten.

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Eine bakterielle Gruppe ohne Sauerstoff aktiv

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass aerobe MOB auch in sauerstofffreiem Wasser dauerhaft aktiv sind", sagt Sina Schorn, die mittlerweile an der Universität Göteborg forscht. "Allerdings traf das nur auf eine bestimmte Gruppe der MOB zu, gut zu erkennen an ihrer markanten länglichen Zellform. Zu unserer Überraschung waren diese Zellen unter oxischen und anoxischen Bedingungen – also mit und ohne Sauerstoff – gleichermaßen aktiv. Wenn wir also in anoxischen Gewässern geringere Raten der Methanoxidation messen, liegt das vermutlich daran, dass es dort weniger dieser besonderen stäbchenfömigen Zellen gibt, und nicht etwa an einer geringeren Aktivität der Bakterien."

Metabolische Anpassung

Über die Stoffwechselfähigkeiten dieser Bakteriengruppe fand das Max-Planck-Forschungsteam heraus: "Anhand der vorhandenen Gene konnten wir erkennen, wie die Bakterien reagieren, wenn der Sauerstoff knapp wird", erklärt Jana Milucka, die am Bremer Max-Planck-Institut die Forschungsgruppe Treibhausgase leitet. "Dabei fanden wir Gene, die für eine spezielle Methan-basierte Fermentation genutzt werden." Während dieser Prozess in MOB im Labor schon nachgewiesen worden war, wurde er in der Umwelt noch nicht untersucht. Außerdem entdeckten die Forschenden auch einige Gene für die Denitrifizierung, mittels derer die Bakterien wohl Nitrat statt Sauerstoff zur Energiegewinnung nutzen können.

Mikroskopische Visualisierung von Mikroorganismen
Links: Mikroskopische Visualisierung von MOB (pink) und anderer Mikroorganismen (blau) aus dem Zugersee mittels fluoreszierender Sonden. Rechts: Visualisierung schwerer Kohlenstoffatome (13C) in der Biomasse der MOB als Zeichen von deren Aktivität mittels NanoSIMS. Je wärmer die Farbe, desto mehr 13C wurde in die Bakterienzellen aufgenommen. © Sina Schorn/Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

"Wenn die MOB auch Fermentation betreiben, setzen sie vermutlich Substanzen frei, die andere Bakterien nutzen und in ihre Zellen einbauen können. So wird der enthaltene Kohlenstoff, der ursprünglich aus dem klimaschädlichen Methan stammt, noch länger im See zurückgehalten und gelangt nicht in die Atmosphäre. Das ist eine bisher nicht berücksichtigte Senke für Methankohlenstoff in anoxischen Lebensräumen, die wir in unsere Berechnungen zukünftig mit einbeziehen müssen", so Milucka.

Reduzierung der Methanfreisetzung

Die Bremer Forschenden fanden nicht nur heraus, wie Methan in sauerstofffreien Lebensräumen abgebaut wird. Sie zeigen auch, dass methanoxidierende Bakterien wichtig dafür sind, dass aus diesen Lebensräumen weniger Methan in die Atmosphäre gelangt. "Methan ist ein starkes Treibhausgas, das für etwa ein Drittel des derzeitigen globalen Temperaturanstiegs verantwortlich ist", erläutert Schorn hierzu. "Die Methanoxidation durch Mikroorganismen ist die einzige biologische Senke für Methan. Ihre Aktivität ist daher entscheidend für die Kontrolle der Methanemissionen in die Atmosphäre und damit für die Regulierung des globalen Klimas. Angesichts der derzeitigen und vorhergesagten Zunahme von anoxischen Bedingungen in Seen der gemäßigten Regionen ist zu erwarten, dass die Bedeutung der MOB für den Methanabbau in Seen noch zunehmen wird."

Publikation:
Schorn, S., Graf, J.S., Littmann, S., Hach, P.F., Lavik, G., Speth, D.R., Schubert, C.J., Kuypers, M.M.M., Milucka, J. Persistent activity of aerobic methane-oxidizing bacteria in anoxic lake waters due to metabolic versatility. Nat Commun 15, 5293 (2024): https://doi.org/10.1038/s41467-024-49602-5

Quelle: Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

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