Forschungsbericht 2018 - Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie

Freund oder Feind: Mikroorganismen und Treibhausgase

Autoren
Milucka, Jana; Graf, Jon; Marchant, Hannah
Abteilungen
Abteilung Biogeochemie, Forschungsgruppe Treibhausgase
Zusammenfassung
Die Treibhausgase Methan und Lachgas tragen maßgeblich zur derzeit beobachteten globalen Erwärmung bei. Sie resultieren aus menschlichen Aktivitäten, aber auch aus natürlichen, unberührten Lebensräumen wie Seen oder dem Meer. In der Natur sind Produktion und Abbau von Methan und Lachgas fest in den Händen von Mikroorganismen. Wir untersuchen, um welche Mikroorganismen es sich handelt und wie sie besonders auf anthropogene Veränderungen reagieren.

Methan und Lachgas in natürlichen Lebensräumen

Methan (CH4) und Lachgas (N2O) bilden zusammen mit Kohlendioxid (CO2) die häufigsten und stärksten Treibhausgase in unserer Atmosphäre; Methan- und Lachgasquellen werden deshalb zunehmend kritisch untersucht. Die Produktion von Methan und Lachgas ist einerseits und zu einem großen Teil eine direkte Folge menschlicher Aktivität, aber andererseits setzen auch natürliche Lebensräume diese Gase frei.

Aquatische Systeme unterscheiden sich deutlich in Bezug auf ihre Treibhausgasemissionen. So erreichen die Ozeane nur etwa 3% der natürlichen Methanemissionen, sie sind aber eine der Hauptquellen von Lachgas (30%). Im Gegensatz dazu wird die Lachgasfreisetzung aus Seen wiederum als gering eingestuft, während deren Anteil an der Methanemission recht hoch ist (16%).

Seit Jahrzehnten werden aquatische Lebensräume wie zum Beispiel Seen, Binnenmeere oder flache Küsten, zunehmend durch den Menschen beeinflusst. Noch ist nicht ersichtlich, was das in Zukunft für die Treibhausgasfreisetzung aus diesen Lebensräumen bedeutet.

Mikroorganismen kontrollieren die natürliche Freisetzung von Methan und Lachgas

Anthropogene Nährstoffe aus Abwässern oder der Landwirtschaft gelangen über Flüsse und Grundwasser in die Küstenmeere. Diese Nährstoffverschmutzung führt zu einer Eutrophierung (Überdüngung) des Wassers. In der Folge vermehren sich winzige Algen, das sogenannte Phytoplankton, an der Wasseroberfläche übermäßig stark. Der Sauerstoff in tieferen Wasserschichten wird dadurch knapp mit der Folge, dass in solchen sauerstoffarmen Gewässern und dem darunter liegenden Gewässerboden Mikroorganismen gedeihen, die Methan und Lachgas produzieren. Denn in Abwesenheit von Sauerstoff veratmen diese Mikroorganismen zum Beispiel ersatzweise Kohlendioxid oder Nitrat und wandeln es in Methan beziehungsweise Lachgas um. Spezielle Mikrobenarten sind für den Großteil der Methan- und Lachgasproduktion verantwortlich. Dazu gehören auch methan- und lachgasproduzierende Archaeen – uralte Prokaryoten mit einzigartigen Stoffwechselfähigkeiten, die zu den häufigsten Mikroorganismen im Ozean zählen.

Umgekehrt sind Mikroorganismen auch dafür zuständig, Methan und Lachgas in aquatischen Systemen abzubauen. Methan-oxidierende Mikroorganismen gedeihen sowohl unter sauerstoffreichen als auch sauerstoffarmen Bedingungen. Lachgas hingegen kann nur entfernt werden, wenn kein Sauerstoff vorhanden ist. Nach unserem derzeitigen Verständnis entweicht Lachgas, das in sauerstoffreichem Wasser gebildet wird, deshalb ungehindert in die Atmosphäre.

Küstenmeere setzen enorme Mengen Lachgas frei

Von uns Menschen werden riesige Nährstoffmengen auf den Kontinenten erzeugt und freigesetzt und gelangen in die Küstenmeere. Nur ein Bruchteil davon erreicht das offene Meer, denn der größte Anteil der Nährstoffe wird schon in den sandigen Sedimenten nahe der Küste von Mikroorganismen abgebaut (Abb. 1). Die dortigen mikrobiellen Gemeinschaften bilden somit wichtige biokatalytische Filter.

Abb. 1: Plattform zur Probenahme im Wattenmeer. Zweimal täglich wird die gesamte Sandfläche mit bis zu 2 Metern Wasser überflutet. Wenn das Wasser über den Sand fließt, liefert es Sauerstoff und Nährstoffe an die darin lebenden Mikroben und entfernt große Mengen an anthropogener Verschmutzung. Dies wiederum führt aber auch zu einer Freisetzung von Lachgas (N2O).

Nährstoffe, die in die Küstenmeere gelangen, werden hauptsächlich durch den mikrobiellen Prozess der sogenannten Nitratatmung (Denitrifikation) entfernt. Dabei wird Nitrat über Nitrit, Stickoxid und Lachgas zu Stickstoffgas (N2) reduziert [1]. Viele kultivierte, im Labor gezüchtete Bakterien veratmen Nitrat vollständig zu N2. In der Umwelt ist das anders. Unsere Arbeiten zeigen nämlich, dass sich dort verschiedene Arten von Mikroorganismen zu einem Konsortium zusammenschließen, in dem jedes Mitglied eine einzelne Teilreaktion ausführt. Insbesondere die Veratmung von Lachgas zu N2 scheint ein hochspezialisierter Prozess zu sein, der in sandigen Sedimenten hauptsächlich von einer einzigen Gruppe durchgeführt wird, den Flavobacteria [2].

Weil Flavobacteria sehr aktive Mikroben sind, wird das meiste Lachgas im Sediment zu N2 umgewandelt. Durch die räumliche Trennung zwischen den Bakterien, die Lachgas produzieren, und denjenigen, die es verbrauchen, entkommt aber auch ein nicht unerheblicher Teil von nicht verstoffwechseltem Lachgas. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass 10 bis 20% der ozeanischen Lachgasfreisetzung aus sandigen Küstensedimenten stammt. Diese Zahl könnte noch steigen, wenn große ökologische Störungen die mikrobielle Gemeinschaft verändern und somit das Gleichgewicht zwischen Produktion und Verbrauch von Lachgas stören.

Methanfressende Bakterien in Schweizer Seen

Methan-oxidierende Mikroorganismen, die unter oxischen sowie anoxischen Bedingungen Methan zu Kohlendioxid umwandeln, bilden den wichtigsten biologischen Methanfilter. Zur Untersuchung dieser Mikroorganismen reisen wir schon seit mehreren Jahren zu geschichteten Seen in der Schweiz (Abb. 2). Die Feldarbeit umfasst unter anderem Inkubationen mit stabilen Isotopen für Stoffwechsel-Analysen und molekulargenetische Untersuchungen der dort vorhandenen Mikroorganismen. Im Labor identifizieren wir mittels Einzelzell-Massenspektrometrie (nanoSIMS) verschiedene Stoffwechselwege einzelner Mikroorganismen und erstellen zusätzlich mit bioinformatischen Methoden (Metagenomik) individuelle genomische Blaupausen des mikrobiellen Stoffwechsels aus komplexen Umweltproben.

Abb. 2: Zur Untersuchung der anaeroben methanotrophen Mikroben reisen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Forschungsgruppe „Treibhausgase“ des Bremer Max-Planck-Instituts zusammen mit Schweizer Kollegen der Eawag an den Zuger See in der Schweiz. Neben der Erfassung von physikalisch-chemischen Parametern wie zum Beispiel Sauerstoff-, Methan- und Nitratkonzentrationen beinhaltet die Feldarbeit auch Inkubationen mit stabilen Isotopen sowie Probennahmen zur molekularen Analyse der vorhandenen Mikroorganismen.

Diese Untersuchungen führten unter anderem zur Entdeckung eines neuen methanfressenden Bakteriums (Crenothrix) und zur Entschlüsselung dessen Erbguts [3]. Bislang war wenig über das natürliche Vorkommen dieser fadenförmigen Bakterien bekannt. Als sogenannte Brunnenfäden waren sie vor allem dafür berüchtigt, Siebe und Filter von Trinkwassersystemen zu verstopfen. Unsere Untersuchungen zeigten nun erstmals, dass Crenothrix-Bakterien einen wichtigen Beitrag zur Beseitigung von Methan in Süßwasserseen leisten. Zudem entdeckten wir in den sauerstofffreien Bodenwasserschichten des Zuger Sees eine neue Art von Methylomirabilis-Bakterien, deren Aufkommen beispiellos hoch war. [4]. Diese Bakterien können Methan unter sauerstofffreien Bedingungen mit Nitrit als Elektronenakzeptor oxidieren. Das Erbgut dieser neuen Methylomirabilis-Art ermöglicht uns nun einen Einblick in deren vermutlich ganz besonderen Stoffwechselwege.

Literaturhinweise

1.
Kuypers M. M. M.; Marchant H. K.; Kartal B.
The microbial nitrogen-cycling network
Nature Reviews Microbiology 16, 263-276 (2018)
2.
Marchant H.K.; Tegetmeyer H.E.; Ahmerkamp S.; Holtappels M.; Lavik G.; Graf J.; Schreiber F.; Mussmann M.; Strous M.; Kuypers M.M. M.
Metabolic specialization of denitrifiers in permeable sediments controls N2O emissions
Environmental Microbiology (ePub ahead of print) DOI: 10.1111/1462-2920.14385
3.
Oswald K.; Graf J. S.; Littmann S.; Tienken D.; Brand A.; Wehrli B.; Albertsen M.; Daims H.; Wagner M.; Kuypers M. M. M.; Schubert C. J.; Milucka J.
Crenothrix are major methane consumers in stratified lakes
The ISME Journal 11, 2124-2140 (2017)
4.
Graf J.S.; Mayr M.J.; Marchant H.K.; Tienken D.; Hach P.F.; Brand A.; Schubert C.J.; Kuypers M. M. M.; Milucka J.
Bloom of a denitrifying methanotroph, “Candidatus Methylomirabilis limnetica”, in a deep stratified lake
Environmental Microbiology 20, 2594-2614 (2018)
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