Forschungsbericht 2013 - Max-Planck-Institut für Chemie

Pilze – eine neu entdeckte Methanquelle

Autoren
Lenhart, Katharina; Keppler, Frank
Abteilungen

MPG-Forschungssgruppe - ORCAS (EURYI Award)

Zusammenfassung
In der Biosphäre werden große Mengen Methan gebildet, die in die Atmosphäre gelangen. Die Nachwuchsgruppe ORCAS am Max-Planck-Institut für Chemie spürt neue Methanquellen in der Umwelt auf und beschreibt die dahinter liegenden Bildungsmechanismen. Pilze sind ein wichtiger Bestandteil terrestrischer Lebensgemeinschaften. Erst kürzlich konnten die Forscher zeigen, dass auch Pilze in ihrem Stoffwechsel Methan freisetzen. Inwieweit diese neue Methanquelle zusammen mit der Methanfreisetzung durch Pflanzen die Methanbilanzen in terrestrischen Ökosystemen beeinflusst, ist derzeit noch unbekannt.

Die Entstehung von Methan in der Umwelt

Methan (CH4) ist nach Kohlendioxid (CO2) das zweitwichtigste anthropogene Treibhausgas in der Atmosphäre [1]. Alarmierend ist, dass sich die Konzentration von Methan in der Atmosphäre im Vergleich mit dem Zustand vor der Industrialisierung fast verdreifacht hat. Seine Treibhauswirkung ist ca. 25-mal stärker als die von Kohlendioxid. Weil es aber in der Atmosphäre in viel kleineren Mengen vorkommt als Kohlendioxid, nimmt es nur den zweiten Platz unter den klimarelevanten Spurengasen ein.

Heutzutage werden jährlich weltweit rund 600 Millionen Tonnen Methan in die Atmosphäre freigesetzt. Ein Großteil des Methans entsteht durch methanbildende Mikroorganismen, sogenannte Archaeen, die unter anderem in Feuchtgebieten, auf Mülldeponien oder bei der Rinderhaltung vorkommen. Der Abbau von Methan erfolgt hauptsächlich durch Oxidation in der Atmosphäre oder durch Bakterien in Böden, die unter Anwesenheit von Sauerstoff das CH4 zu CO2 und Wasser abbauen können. Um zuverlässigere Prognosen für die Entwicklung der atmosphärischen CH4-Konzentration machen zu können, ist eine möglichst detaillierte Kenntnis aller Quellen und Senken sowie der die Flüsse beeinflussenden Faktoren notwendig. Bis vor ein paar Jahren nahm man an, dass biogenes Methan grundsätzlich durch Mikroorganismen und unter Ausschluss von Sauerstoff, also anaerob gebildet wird. Dass auch Pflanzen Methan produzieren, und das ganz ohne die Hilfe von Mikroorganismen, ist erst seit 2006 bekannt [2]. Seitdem erforscht die Arbeitsgruppe ORCAS am Max-Planck-Institut für Chemie unbekannte Methanquellen und neue Bildungswege in der Umwelt. Pilze gehörten bisher nicht zu den Organismen, von denen bekannt war, dass sie Methan produzieren.

Pilze in der Umwelt

Allgemein werden Pilze der Botanik zugeordnet. Bei genauerer Betrachtung stellt man aber fest, dass es grundlegende Unterschiede zwischen Pilzen und Pflanzen gibt und der Pilz in der Botanik eigentlich am falschen Platz ist. Deshalb bilden Pilze in der biologischen Klassifikation neben Pflanzen und Tieren ein eigenständiges Reich. Der wesentliche Unterschied besteht bereits in der Ernährung von Pilzen und Pflanzen. Pflanzen nutzen zur Energiegewinnung das Sonnenlicht (Phototrophie) und das CO2 in der Luft als Kohlenstoff-Quelle (Autotrophie), sie sind also photoautotroph. Pilze hingegen sind weder dazu in der Lage, sich direkt die Energie des Sonnenlichtes nutzbar zu machen, noch können sie CO2 fixieren. Stattdessen beziehen sie sowohl ihre Energie als auch die zum Aufbau körpereigener Stoffe benötigten Bausteine aus organischen Verbindungen. Bei den Pilzen ist die als Saprotrophie bezeichnete Lebensweise weit verbreitet. Saprotrophe Organismen ernähren sich ausschließlich von totem organischen Material, wie es beispielsweise Ständerpilze beim Abbau organischer Substanz (z. B. Totholz) tun. Die Ständerpilze (Basidiomycota) sind eine Abteilung der Pilze die rund 30.000 Arten umfassen. Das sind etwa 30 Prozent aller Pilzarten. Die in der Natur anzutreffenden Lebensgemeinschaften setzen sich zusammen aus Primärproduzenten (Pflanzen), Konsumenten (Pflanzenfresser, Carnivore) und Destruenten. Letztere sind Organismen, die organische Substanzen (Pflanzen, Tiere) abbauen und in ihre anorganischen Bestandteile zerlegen. Dadurch schließt sich der Kreis. Wird dieser letzte Schritt der Mineralisation unterbrochen, sammelt sich organisches Material an und es entstehen nach Millionen von Jahren fossile Energieträger. Neben Bakterien übernehmen auch Pilze die wichtige Funktion der Destruenten. Pilze sind in der Umwelt weit verbreitet, und oftmals ist nur ein winziger Teil ihrer Biomasse als Fruchtkörper sichtbar. Der eigentliche Pilz, das Mycel (Geflecht aus Hyphen im Boden oder im Holz), bleibt im Boden verborgen. In den oberen 30 Zentimetern eines Grünlandbodens findet man pro Hektar ca. 25 Tonnen Organismen (Lebendgewicht). Davon entfallen ca. 10 Tonnen auf Pilze. Das Verhältnis von Pilzen und Bakterien im Boden liegt bei ca. 1:1.

Methanfreisetzung aus Pilzen

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Abb. 1: Holzabbauende Ständerpilze (Basidiomycota) wie z. B. das Stockschwämmchen (Kuehneromyces mutabilis) produzieren Methan.

Jüngste Ergebnisse der Arbeitsgruppe ORCAS am Max-Planck-Institut für Chemie zeigen, dass auch Pilze Methan erzeugen (Abb. 1). Die Forscher untersuchten verschiedene saprotrophe Ständerpilzsorten, deren Methanabgabe sie unter Laborbedingungen genauestens beobachteten und mithilfe von Konzentrationsmessungen und Isotopenanalysen nachweisen konnten [3]. Dabei wurden die Pilze auf unterschiedlichen Nährböden, die zuvor sterilisiert wurden, kultiviert. Alle acht untersuchten Pilze setzten während ihres Wachstums auf unterschiedlichen Substraten wie Gras, Laub- und Nadelholz sowie mit definierten Nährsubstanzen (z. B. Acetat, Cellulose, Glucose, Lignin oder Pektin) Methan frei.

Abbildung 2 zeigt den Weißfäulepilz Phanerochaete chrysosporium auf Holz in einem Inkubationsgefäß. Weißfäulepilze sind bekannt dafür, in der Natur Lignin und Cellulose zu CO2 abzubauen. Im Verhältnis dazu ist die von den Pilzen freigesetzte Methanmenge sehr klein. Pro Molekül CH4 wird eine vielfache Menge (ca. das Millionenfache) an CO2 gebildet. Daraus lässt sich schließen, dass die von den Pilzen freigesetzte Methanmenge im Vergleich mit anderen Quellen eher gering ist.

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Abb. 2: Links: Wachstum des Weißfäulepilzes Phanerochaete chrysosporium auf Fichtenholz in einem Glasgefäß im Labor. Rechts: Kontinuierlicher Anstieg der Methankonzentration über 72 Stunden in den Inkubationsgefäßen mit Holz, auf dem der Pilz Phanerochaete chrysosporium wächst (graue Punkte). Im Vergleich die Entwicklung der Methankonzentration von Holz ohne Pilzwachstum (weiße Punkte).

Die Pilze wurden bei den Experimenten gleichzeitig auf methanbildende Mikroben untersucht. Dabei konnte durch verschiedene molekularbiologische Analyseverfahren zweifelsfrei gezeigt werden, dass keine Archaeen, bei deren Energiestoffwechsel Methan entsteht, in den Prozess der Methanbildung eingebunden waren. Somit müssen Prozesse innerhalb des Stoffwechsels der Pilze für die Methanbildung verantwortlich sein. Diese Hypothese führte zwangsläufig zu der Frage, welche Vorläuferverbindungen für die CH4-Bildung durch den Pilz verwendet werden.

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Abb. 3: Links: Der Eiweißbaustein Methionin mit isotopisch markierter Methylgruppe. Rechts: Änderung der Kohlenstoffisotopensignatur im Methan des Inkubationsgefäßes mit dem Pilz Pleurotus sapidus nach Zugabe von isotopisch markiertem Methionin. Die Kontrolle enthält nur das sterile Medium.

Andere Ergebnisse aus der Arbeitsgruppe ORCAS [4] hatten zuvor gezeigt, dass der Eiweißbaustein Methionin (eine schwefelhaltige Aminosäure, siehe Abb. 3, links) eine Vorläuferverbindung von CH4 in Pflanzen darstellt. Dies wurde anhand von Isotopenexperimenten durch das Verhältnis von leichtem Kohlenstoff 12C und schwerem Kohlenstoff 13C festgestellt. Die Isotopenanalyse dient als wichtiges Hilfsmittel, um die Herkunft des Methans zu überprüfen. Bei den Pflanzenexperimenten konnte sogar ganz genau gezeigt werden, welches Kohlenstoffatom in der Aminosäure Methionin zu Methan wird. Die Fütterung von Pilzen mit isotopisch markiertem 13C-Methionin führte ebenfalls zu einer signifikanten Erhöhung der 13C-Isotopensignatur im CH4 (Abb. 3, rechts). Dies ist ein eindeutiger Beleg dafür, dass die Methylgruppe im Methionin im Stoffwechsel der Pilze zu Methan umgewandelt werden kann.

Wissenschaftliche Bedeutung & Ausblick

Die Entdeckung der aeroben Bildung von Methan im Stoffwechsel der Pilze ist überraschend und wirft neue Forschungsfragen auf. Wie groß die globale Menge des von Pilzen produzierten CH4 ist und welcher Anteil davon in die Atmosphäre entweicht, kann derzeit noch nicht abgeschätzt werden.

Ebenso wie Pilze sind auch methanoxidierende Bakterien in der Umwelt ubiquitär verbreitet. Es ist davon auszugehen, dass ein Großteil des von Pilzen im Boden freigesetzten Methans unmittelbar durch assoziierte Bakterien wieder abgebaut wird. Das macht es besonders schwierig, die Bildungsraten von Methan in der Natur aufzuzeichnen.

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Abb. 4: Schema der Methan-Produktion durch Pilze (schwarze Pfeile) und Abbau durch CH4-oxidierende Bakterien im Boden (rote Pfeile). Die Methan-Freisetzung von Pilzen fördert möglicherweise das Wachstum methanoxidierender Bakterien, wodurch Pilze direkt die Methan-Aufnahme von Böden beeinflussen könnten. Gezeichnet von Claudia Kammann.

Offen bleibt auch, welche ökologische Relevanz die aerobe CH4-Freisetzung durch Pflanzen und Pilze im Boden spielt. In Zukunft ist die Frage zu klären, welcher Einfluss davon auf methanoxidierende Bakterien und damit direkt auch auf die CH4-Aufnahme des Bodens ausgeht (Abb. 4). Auch die Frage, warum Pilze Methan bilden, ist noch ungeklärt. Dass sich eine CH4-Produktion positiv auf die CH4-Oxidation auswirkt, belegt die Studie von Kammann et al. [5]. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die CH4-Abgabe durch Käferlarven die CH4-Aufnahme eines Grünlandbodens erhöht. Möglicherweise steigern auch Pilze durch ihre CH4-Bildung die Netto-CH4-Aufnahme des Bodens. Die CH4-Aufnahmeraten von Ökosystemen unterscheiden sich zum Teil deutlich voneinander. Die höchsten CH4-Aufnahmeraten von Böden findet man in ungestörten (Ur)Wäldern, gefolgt von forstwirtschaftlich genutzten Wäldern, Grünland und schließlich Ackerböden, in denen die CH4-Oxidation oft vollständig zum Erliegen kommt.

Die Entdeckungen der Arbeitsgruppe ORCAS in den letzten Jahren verdeutlichen, dass die aerobe Methanbildung in der Biosphäre weit verbreitet ist. Entgegen der bisherigen Lehrmeinung gibt es aerobe Methanbildung in Pflanzen, Pilzen und Böden [2-4,6,7]. Daraus ergeben sich zahlreiche Fragen, die in Zukunft durch interdisziplinäre Herangehensweisen geklärt werden müssen.

Drittmittelfinanzierung: EURYI Award (European Science Foundation und DFG KE 884/2-1).

Literaturhinweise

1.
Forster, P.; Ramaswamy, V.; Artaxo, P.; Berntsen, T.; Betts, R.; Fahey, D. W.; Haywood, J.; Lean, J.; Lowe, D. C.; Myhre, G.; Nganga, J.; Prinn, R.; Raga, G.; Schultz, M.; van Dorland, R.
Changes in atmospheric constituents and in radiative forcing
In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Asessment report of the intergovernmental Panel of Climate Change. (Eds.) Solomon, S.; Qin, D.; Manning, M. et al. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA (2007)
2.
Keppler, F.; Hamilton, J. T. G.; Braß, M.; Röckmann, T.
Methane emissions from terrestrial plants under aerobic conditions
Nature 439, 187-191 (2006)
3.
Lenhart, K.; Bunge, M.; Ratering, S.; Neu, T. R.; Schüttmann, I.; Greule, M.; Kammann, C.; Schnell, S.; Müller, C.; Zorn, H.; Keppler, F.
Evidence for methane production by saprotrophic fungi
Nature Communications 3, 1046 (2012)
4.
Althoff, F.
Sources and pathways of methane formed in oxidative environments
PhD thesis, Johannes Gutenberg University Mainz (2012)
5.
Kammann, C.; Hepp, S.; Lenhart, K.; Müller, C.
Stimulation of methane consumption by endogenous CH4 production in aerobic grassland soil
Soil Biology and Biochemistry 41, 622-629 (2009)
6.
Jugold, A.; Althoff, F.; Hurkuck, M.; Greule, M.; Lenhart, K.; Lelieveld, J.; Keppler, F.
Non-microbial methane formation in oxic soils
Biogeosciences 9, 5291-5301 (2012)
7.
Keppler, F.; Boros, M.; Frankenberg, C.; Lelieveld, J.; McLeod, A.; Pirttilä, A. M.; Röckmann, T.; Schnitzler, J.-P.
Methane formation in aerobic environments
Environmental Chemistry 6, 459-465 (2009)
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