Die zufällig entdeckten mysteriösen Archaeen können alte Ölfelder „wiederbeleben“

Methanogene sind eine Bakterienart, die unter anaeroben Bedingungen Methan als spezifischen Stoffwechselprodukt verwendet. Ihre Stoffwechselprodukte sind Methan und Kohlendioxid.

Methanogene sind dem Menschen schon lange bekannt

Mikroorganismen, die Methan produzieren können, werden Methanogene genannt. Diese Organismen gehören zu den Archaeen innerhalb der Prokaryoten. Es handelt sich um anaerobe Bakterien, die sehr langsam wachsen und sich vermehren und sich nur schwer kultivieren und trennen lassen. Methanogene können nur in einer Umgebung vorkommen, in der es überhaupt keinen Sauerstoff gibt. Nur Methanogenese und Fermentation können mit ausschließlich kohlenstoffhaltigen Verbindungen als Elektronenakzeptoren stattfinden. Durch Methanogenese können organische Abfälle in ein nützliches, farbloses, leicht saures, brennbares Gas namens Methan (Biogas) umgewandelt werden. Auch im Darm von Menschen und Tieren kommt es zur Methanogenese.

Methanogene sind sehr alt und gehören wahrscheinlich zu den ältesten Lebensformen auf der Erde. Im Anfangszustand der Erde ermöglichten die besonderen Umgebungsbedingungen die Entstehung von Methanogenen. Sie benötigen keinen Sauerstoff und können mithilfe einfacher Substanzen wie Carbonaten und Formiaten problemlos atmen und am Leben bleiben. Sie haben lebende Einheiten – Zellen – und beginnen, sich auf natürliche Weise zu vermehren. Sie sind die Vorfahren aller Lebewesen.

Archaeen – die „Vorfahren“ des Lebens auf der Erde

Heute ist die Erde nicht mehr das, was sie einmal war, aber Methanogene behalten ihre Natur und sind immer noch anaerob. Heutzutage gibt es für Methanogene eine große Bandbreite an „Nahrungsquellen“, wie etwa Unkraut, Stroh, Blätter, Kantinenreste, Tierkot und -urin und sogar Müll, die die beste Nahrung für Methanogene darstellen. Der Boden von Sümpfen und Teichen mit dichtem Wasserpflanzenbewuchs ist im Allgemeinen extrem sauerstoffarm. Hier verstecken sich oft Methanbakterien, um sich daran zu laben und gleichzeitig auszuatmen, was als Biogasblasen bezeichnet wird.

Methanbakterien wachsen sehr langsam und es dauert mehr als zehn Tage oder sogar Dutzende von Tagen, bis unter künstlichen Kulturbedingungen Kolonien entstehen. Manche Methanbakterien müssen siebzig bis achtzig Tage lang kultiviert werden, bevor sie Kolonien bilden können, unter natürlichen Bedingungen dauert es sogar noch länger. Die Kolonien sind außerdem recht klein, insbesondere die Methanosarcina-Kolonien, die noch kleiner sind und leicht übersehen werden können, wenn man nicht genau hinschaut. Die Kolonien sind im Allgemeinen rund, transparent, haben saubere Kanten und strahlen unter einem Fluoreszenzmikroskop eine starke Fluoreszenz aus.

Der Grund für das langsame Wachstum der Methanbakterien liegt darin, dass ihnen nur wenige Stoffe zur Verfügung stehen und sie nur sehr einfache Stoffe wie Kohlendioxid, Wasserstoff, Ameisensäure, Essigsäure und Methylamin verwerten können. Diese einfachen Substanzen müssen den Methanbakterien von anderen fermentativen Bakterien bereitgestellt werden, nachdem sie komplexe organische Stoffe zersetzt haben. Daher müssen Methanbakterien warten, bis andere Bakterien in großer Zahl gewachsen sind, bevor sie wachsen können. Gleichzeitig ist die Generationszeit der Methanbakterien lang. Manche Bakterien können eine Generation in 20 Minuten reproduzieren, während Methanbakterien mehrere Tage oder sogar Dutzende von Tagen brauchen, um eine Generation zu reproduzieren.

Methanbakterien können in Gegenwart von Sauerstoff nicht überleben. Sie können nur in Umgebungen mit völligem Sauerstoffmangel überleben, beispielsweise in Feuchtgebietsböden, im Verdauungstrakt von Tieren und in Unterwasserablagerungen. Methan kann auch an Orten entstehen, wo weder Sauerstoff noch verrottende organische Stoffe vorhanden sind, etwa tief unter der Erde, in hydrothermalen Quellen in der Tiefsee und in Öldepots.

Methanogene Bakterien sind die ultimativen Methanproduzenten bei der Biogasfermentation und gehören zu den Schlüsselbakterien bei der Biogasfermentation. Die Aktivität dieser Bakteriengruppe und ihre synergistische Beziehung zu anderen an der Biogasfermentation beteiligten Bakterien sind der Schlüssel dazu, ob die Biogasfermentation normal verläuft oder nicht.

Der letzte Schliff für die „Wiederbelebung“ alter Ölfelder

Bereits Ende des 20. Jahrhunderts berichteten deutsche Wissenschaftler in der international renommierten Fachzeitschrift Nature erstmals, dass Erdölkohlenwasserstoffe durch anaerobe Mikroorganismen abgebaut und in Methan umgewandelt werden können. Dieser biologische Abbauprozess ähnelt jedoch der herkömmlichen Biogasfermentation und erfordert für die Durchführung des symbiotischen Stoffwechsels mehrere unterschiedliche Bakterien- und Archaeenarten.

Im Jahr 2008 berichteten kanadische Wissenschaftler in Nature, dass solche gemischten Bakteriengemeinschaften auch in Öllagerstätten vorkommen, um Rohöl abzubauen und Methan zu produzieren.

Früher glaubte man, dass methanogene Archaeen Methan nur auf vier Wegen produzieren könnten: Essigsäuregärung, Kohlendioxidreduktion, Methylspaltung und Sauerstoff-Methyl-Umwandlung. Die verwendbaren Substrate sind sehr einfach und bestehen hauptsächlich aus Ein- oder Zwei-Kohlenstoff-Verbindungen.

Es wurden bereits viele Technologien zur Ölförderung eingesetzt, doch mit herkömmlichen Technologien zur Rohölförderung ist es schwierig, das gesamte Rohöl aus unterirdischen Lagerstätten zu fördern, und mehr als die Hälfte des Rohöls kann noch immer nicht gefördert werden. Wissenschaftler glauben, dass anaerobe Mikroorganismen, die in der Umgebung von Öllagerstätten überleben können, dem Menschen zu Helfern werden könnten. Wissenschaftler haben es sich zur Aufgabe gemacht, das Prinzip der Biogasfermentation zu nutzen, um flüssiges Rohöl in gasförmiges Methan umzuwandeln und so eine gemeinsame Nutzung von Öl und Gas zu erreichen.

Das Innovationsteam für Energiemikrobiologie des Biogas Science Research Institute des Ministeriums für Landwirtschaft und ländliche Angelegenheiten meines Landes (nachfolgend „Biogas Science Institute“ genannt) arbeitete mit der Universität Shenzhen, dem Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Deutschland, dem Sinopec Key Laboratory of Microbial Oil Recovery und anderen Institutionen zusammen, um eine neue Art methanogener Archaeen in Öllagerstätten zu entdecken. Es kann langkettige Alkylkohlenwasserstoffe in Rohöl direkt oxidieren, um unter anaeroben Bedingungen Methan zu erzeugen. Dies widerlegt die traditionelle Auffassung, dass methanogene Archaeen nur mithilfe einfacher Verbindungen wachsen können, und erweitert das Verständnis der Kohlenstoffstoffwechselfunktion methanogener Archaeen.

Diese Forschung hat den biogeochemischen Prozess des Kohlenstoffkreislaufs verbessert und eine wissenschaftliche Grundlage für die Biogaserzeugung und Nutzung von Restrohöl in erschöpften Öllagerstätten – die „Untergrund-Biogastechnik“ – gelegt.

Aerobe Mikroorganismen sind die zahlreichste und artenreichste biologische Ressource der Erde. Aus technischen Gründen wurden bisher jedoch weniger als 0,1 % der anaeroben mikrobiellen Arten isoliert und identifiziert, und die meisten von ihnen gehören immer noch zur „mikrobiellen dunklen Materie“. Wissenschaftler wissen, dass es sie gibt, aber sie wissen nicht, um welche Art von Existenz es sich handelt.

Das Biogasforschungsinstitut meines Landes beschäftigt sich mit Grundlagen- und angewandter Forschung zu anaeroben Mikroorganismen. In den letzten Jahrzehnten wurde hier die landesweit größte Sammlung anaerober mikrobieller Modellarten bewahrt, nämlich fast 600 Arten (weltweit gibt es mehr als 2.000 Arten). Das Unternehmen ist der wichtigste Maßstab für die Biogastechnik meines Landes und hat eine Reihe repräsentativer Biogasprojekte für Privathaushalte sowie große und mittelgroße Projekte entwickelt, entworfen und gebaut. Damit wurde eine wissenschaftliche Forschungsgrundlage für die Entdeckung von Mikroorganismen geschaffen, die Erdölkohlenwasserstoffe direkt abbauen können, und auch der Grundstein für die „Wiederbelebung“ alter Ölfelder gelegt.

Mysteriöse Archaeen durch Zufall entdeckt

Methanogene Archaeen sind eine einzigartige Klasse anaerober Mikroorganismen, die sauerstoffempfindlich sind und in der Regel bereits nach wenigen Minuten Luftkontakt absterben. Der Name „Archaeen“ kommt daher, dass dieses einzigartige Leben bereits vor 3,5 Milliarden Jahren auf der Erde existierte. Es hat viele Titel: eine der frühesten Lebensformen auf der Erde, ein Hauptverursacher der globalen atmosphärischen Methan-Emissionen und ein wichtiger funktioneller Mikroorganismus im Biogas-Fermentationsprozess.

Im Jahr 2019 gelang es Forschern des Instituts für Biodiversitätswissenschaften meines Landes nach jahrzehntelanger Vorarbeit, eine Kultur zu entwickeln, die Methan aus langkettigen Erdölkohlenwasserstoffen produziert. Es kann langkettige Alkane von C13 bis C34 sowie Cyclohexan und Cyclohexylbenzol mit Seitenkettenalkanen größer als 13 direkt abbauen.

Fast zeitgleich äußerten ausländische Wissenschaftler die Vermutung, dass es in der Natur möglicherweise neue Archaeen gebe, die Alkane direkt zu Methan abbauen könnten. Belege dafür gab es jedoch nicht. Als chinesische Wissenschaftler die 2019 entdeckten Kulturen erneut analysierten, fanden sie tatsächlich Spuren davon, und die Häufigkeit war sehr hoch. Allerdings gibt es in dieser Kultur viele Arten von Mikroorganismen und es sind Beweise aus vielen verschiedenen Dimensionen erforderlich.

Die Wissenschaftler bestätigten zunächst durch Markierungsexperimente mit stabilen Kohlenstoffisotopen, dass die hinzugefügten n-Alkane fast vollständig in Methan und Kohlendioxid umgewandelt wurden. Durch weitere mikrobiologische Analysen wurde ein neuer Archaeentyp entdeckt, der über einen vollständigen Stoffwechselweg für den Abbau von Kohlenwasserstoffen und die Produktion von Methan verfügt und eine recht hohe Fähigkeit zur Methanproduktion aufweist, sodass für die vollständige Methanproduktion kein symbiotischer Stoffwechsel erforderlich ist. Diese Art von Archaeen erledigt die Zersetzungsarbeit im symbiotischen Stoffwechsel, der die Zusammenarbeit mehrerer Bakterien und Archaeen erfordert, alleine. Die Forscher schlugen daher einen fünften Weg zur Methanproduktion vor.

Chinesische Mikrobiologen sind der Ansicht: „Der Vorschlag eines fünften Methanproduktionswegs hat unser Verständnis des globalen biogeochemischen Kohlenstoffkreislaufs verbessert.“ Dies zeigt auch, dass es unter den Bedingungen eines Ölreservoirs noch immer eine Fülle unbekannter Mikroorganismen mit unterschiedlichen Funktionen gibt. Einige dieser Mikroben zersetzen Rohöl auf unterschiedliche Weise und wandeln es in Methan oder Erdgas um.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten

Bei der herkömmlichen Technologie zur Rohölförderung werden hauptsächlich Chemikalien oder Wasserdruck eingesetzt, um das Rohöl tief unter die Erde zu transportieren. Bei dieser Technologie der Ölförderung mit physikalischen und chemischen Methoden verbleibt immer noch mehr als die Hälfte des Rohöls in unterirdischen Lagerstätten, was die Förderung und Nutzung erschwert. Auf Grundlage dieser Forschungsergebnisse zu Methanogenen wird es möglich sein, die Wirkung unterirdischer anaerober Mikroorganismen zu nutzen, um flüssiges Rohöl in gasförmiges Methan abzubauen, eine gemeinsame Öl- und Gasproduktion zu ermöglichen und letztlich eine relativ hohe Auslastungsrate der Rohölproduktion zu erreichen. Darüber hinaus kann es die Nutzungsdauer von Öllagerstätten verlängern und hoffentlich alte Ölfelder „wiederbeleben“.

Dieses grundlegende Forschungswissen von „0“ bis „1“ hat eine theoretische Grundlage für die Entwicklung der „Untergrund-Biogastechnik“ gelegt. Es besteht keine Notwendigkeit, das unterirdische Öl abzupumpen. Stattdessen kann das Öl direkt in Gas umgewandelt werden, das Gas austreten gelassen und Methan gesammelt werden. Dies entspricht dem Bau einer Biogasanlage in einem mehrere tausend Meter tiefen unterirdischen Ölreservoir, wodurch eine riesige „unterirdische Biogasanlage“ im Ausmaß eines Quadratkilometers entsteht. Sobald der auf dieser Errungenschaft basierende technische Durchbruch gelingt, wird die gemeinsame Öl- und Gasproduktion in erschöpften Öllagerstätten die Gesamtmenge der Öl- und Gasproduktion um Hunderte Millionen Tonnen steigern und so wissenschaftliche Unterstützung für die Verringerung der Abhängigkeit meines Landes von ausländischer Energie und die Gewährleistung der nationalen Energiesicherheit liefern.

Dabei handelt es sich um eine grüne, umweltfreundliche und kohlenstoffarme Technologie, die auf die enormen Kohlenstoffemissionen verursachenden Prozesse der Rohölförderung, -raffination und -verarbeitung verzichtet und stattdessen einen grünen und nachhaltigen biologischen Umwandlungsprozess nutzt, um direkt Methan, eine saubere Energiequelle, zu gewinnen und so die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren. Natürlich ist hierfür weiterhin erforderlich, dass das Land ein Spitzendesign vorlegt, die Vorteile des Landes integriert und sich zur Vervollständigung auf weitere Forschung und Anstrengungen seitens der Wissenschaftler sowie des Ingenieur- und Technikpersonals verlässt. Dieser neue Typ methanogener Archaeen wird wahrscheinlich als neue Basiszelle für die synthetische Biologie dienen und breitere Anwendungsaussichten haben.

Autor: Wang Darui (China Petroleum Exploration and Development Research Institute)