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Originalpublikation

Jana Milucka, Timothy G. Ferdelman, Lubos Polerecky, Daniela Franzke, Gunter Wegener, Markus Schmid, Ingo Lieberwirth, Michael Wagner, Friedrich Widdel, Marcel M. M. Kuypers
Zerovalent sulfur is a key intermediate in marine methane oxidation.

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Mikrobiologie

Rätsel um marinen Methanabbau gelüftet

Elementarer Schwefel spielt dabei eine Schlüsselrolle

9. November 2012

Unter dem Meeresboden lagern große Mengen Methan. Mikroorganismen nutzen das Treibhausgas zur Energiegewinnung und verhindern so, Mikroorganismen nutzen das Treibhausgas zur Energiegewinnung und verhindern so, dass es ins Meer und somit auch in die Atmosphäre gelangt. Mikrobiologen und Geochemiker des Max-Planck-Instituts für marine Mikrobiologie in Bremen haben zusammen mit ihren Kollegen aus Wien und Mainz entdeckt, dass der sauerstofffreie Abbau von Methan, die sogenannte die anaerobe Methanoxidation, im Meeresboden von einem einzigen Mikroorganismus aus der Domäne der Archaeen ausgeführt werden kann. Dabei koppeln sie die anaerobe Methanoxidation mit der Veratmung von Sulfat. Das Sulfat wird also entgegen früherer Annahmen nicht von einem vergesellschafteten Bakterium veratmet.
Kulturschale mit anaeroben Methan-oxidierenden Mikroorganismen (Archaeen: rot, Bakterien: grün). Sie stammen vom Schlammvulkan Isis im Mittelmeer. Acht Jahre lang haben die Wissenschaftler die Mikroorganismen in der Probe angereichert. Bild vergrößern
Kulturschale mit anaeroben Methan-oxidierenden Mikroorganismen (Archaeen: rot, Bakterien: grün). Sie stammen vom Schlammvulkan Isis im Mittelmeer. Acht Jahre lang haben die Wissenschaftler die Mikroorganismen in der Probe angereichert. [weniger]

Obwohl die an Sulfatveratmung gekoppelte anaerobe Methanoxidation bereits vor 35 Jahren entdeckt wurde, gab die Frage lange Rätsel auf, wie genau die beteiligten Mikroben diese Reaktion durchführen. Bei diesem Prozess bauen sie das Methan zu Kohlendioxid und Wasser ab und gewinnen so Energie. Der Methanabbau ist in sauerstofffreiem Sediment an Sulfatveratmung gekoppelt. Dabei bilden die Mikroorganismen eine reduzierte Schwefelverbindung wie Sulfid. Vor einem Jahrzehnt machten Wissenschaftler die wichtige Entdeckung, dass bei der anaeroben Oxidation von Methan häufig zwei verschiedene Gruppen von Mikroorganismen ein Konsortium bilden. Dies führte zu der Annahme, dass diese zwei Organismengruppen verschiedene Teilreaktionen dieser Reaktion ausführen. Dem einen, einem Archaeon, wurde die Rolle des Methanoxidierers zugeschrieben, dem anderen, einem Bakterium, die der Sulfatveratmung. Dabei ging man davon aus, dass ein Zwischenprodukt von den methanabbauenden Archaeen zu den sulfatveratmenden Bakterien übertragen wird.

Nun hat das Team um Marcel Kuypers dieses Modell auf den Kopf gestellt. Die Wissenschaftler konnten zeigen,  dass das Archaeon nicht nur Methan oxidiert, sondern auch das Sulfat verbraucht und dabei ohne den bakteriellen Partner auskommt. Allerdings nutzen sie dazu nicht die Enzymausstattung, wie sie andere bekannte sulfatreduzierende Mikroorganismen besitzen, sondern vermutlich einen anderen, bisher unbekannten Stoffwechselweg.

Die Grundlage für diese gedankliche Kehrtwende ist die Beobachtung, dass elementarer Schwefel gebildet wird, den die methanabbauenden Archaeen speichern. „Mit chromatografischen und modernsten spektroskopischen Methoden haben wir erstaunlich hohe Konzentrationen an elementarem Schwefel in unseren Kulturen gefunden“, sagt Marcel Kuypers und fügt hinzu: „Die Untersuchungen, die wir mit unseren Technologien an einzelnen Zellen durchführen können, haben gezeigt, dass der Schwefelgehalt in den Zellen der methanabbauenden Archaeen viel höher ist als in denen der Bakterienzellen. Die Archaeen bilden diesen Schwefel durch Sulfatveratmung.“

Methan-abbauende Archaeen (ANME) verwerten Methan und wandeln dabei Sulfat zu elementarem Schwefel und möglicherweise zu Sulfid um. Die mit ihnen zusammenlebenden Bakterien (DSS) nehmen den produzierten elementaren Schwefel in Form von Disulfid auf und vergären ihn zu Sulfat und Sulfid. Die dunklen Flecken sind in den Bakterien gefundene eisen- und phosphorreiche Ablagerungen. Bild vergrößern
Methan-abbauende Archaeen (ANME) verwerten Methan und wandeln dabei Sulfat zu elementarem Schwefel und möglicherweise zu Sulfid um. Die mit ihnen zusammenlebenden Bakterien (DSS) nehmen den produzierten elementaren Schwefel in Form von Disulfid auf und vergären ihn zu Sulfat und Sulfid. Die dunklen Flecken sind in den Bakterien gefundene eisen- und phosphorreiche Ablagerungen. [weniger]

Welche Rolle spielen dann die Bakterien, wenn die Archaeen sowohl die Sulfatveratmung als auch den Methanabbau übernehmen? „Die Bakterien leben vom elementaren Schwefel, den die Archaeen bilden“, erklärt Jana Milucka, die Erstautorin der Studie. „Sie gewinnen nämlich ihre Energie dadurch, dass sie einen Teil des Schwefels zu Sulfat und den anderen zu Sulfid umsetzen. Das ist eine Form mikrobieller Gärung, ähnlich der alkoholischen Gärung.“

„Bisher hatten wir keine wirklich gute Erklärung für das Vorkommen von elementarem Schwefel in sauerstofffreien Sedimenten“, stellt Timothy Ferdelman fest, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut in Bremen und Koautor der Veröffentlichung. „Unsere Entdeckung liefert also nicht nur einen neuen Mechanismus für die Methanoxidation, sondern lässt auch den Kohlenstoff- und den Schwefelkreislauf im methanreichen Meeressediment in einem neuen Licht erscheinen.“

RD/HR

 
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