Gibt es noch jemanden, der für die Methanproduktion „verantwortlich“ ist?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Yang Changjialian (Institut für Mikrobiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Geheimnisse der Biowissenschaften zu entschlüsseln, hat das Spitzentechnologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Neues Wissen über das Leben“ veröffentlicht, die Lebensphänomene interpretiert und die Geheimnisse der Biologie aus einer einzigartigen Perspektive enthüllt. Tauchen wir ein in die Welt des Lebens und erkunden wir die unendlichen Möglichkeiten.

Im Jahr 1977 entdeckte der Wissenschaftler Carl Woese durch die Analyse biologischer Sequenzen zufällig eine neue Domäne des Lebens: die Archaea. Damit wurde dem bekannten biologischen Stammbaum ein mysteriöses neues Mitglied hinzugefügt.

Obwohl diese Mikroorganismen morphologisch Bakterien ähneln und keinen Zellkern haben, deuten ihre genetischen und biochemischen Eigenschaften darauf hin, dass sie näher mit eukaryotischen Organismen (wie Pflanzen und Tieren) verwandt sind. Diese Entdeckung hat nicht nur unser Verständnis von der Evolution des Lebens auf den Kopf gestellt, sondern den Wissenschaftlern auch neue Möglichkeiten zur Erforschung der mikrobiellen Welt eröffnet.

Drei-Domänen-System des Lebens

(Bildquelle: Referenz 4)

Methanogene Archaeen: Unbesungene Helden des Kohlenstoffkreislaufs der Erde

Unter allen Archaeen sind die Methanogenen die auffälligste Klasse. Sie gehören zu den frühesten prokaryotischen Mikroorganismen auf der Erde und können in einer anaeroben Umgebung organische Stoffe zu Methan abbauen, was allgemein als „Biogasfermentation“ bezeichnet wird. Aufgrund dieser einzigartigen Stoffwechselweise sind sie die Hauptverursacher der weltweiten Methan-Emissionen.

Traditionellerweise geht man davon aus, dass methanogene Archaeen hauptsächlich zu den Euryarchaeota in der Domäne der Archaeen gehören. Neuere Studien haben jedoch ergeben, dass auch andere Zweige der Archaeen das Potenzial zur Methanproduktion besitzen.

Wissenschaftler haben in der Natur viele methanogene Archaeen außerhalb des Stammes Euryarchaeota entdeckt. Diese neuen Archaeen können nicht nur Methan produzieren, sondern sind möglicherweise auch an mehreren Stoffwechselwegen wie der Gärung und dem Schwefelstoffwechsel beteiligt, was ihre Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf komplexer und vielfältiger macht.

Methanproduktion: Vom einfachen Molekül zum Treibhausgas

Methan (CH4) ist ein einfaches, aber wichtiges organisches Molekül, das aus einem Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatomen besteht. Obwohl seine Konzentration in der Atmosphäre viel geringer ist als die von Kohlendioxid, ist sein Treibhauspotenzial (GWP) (ein Indikator für den Einfluss von Treibhausgasen auf die globale Erwärmung) 30-mal so hoch wie das von Kohlendioxid und kann auf einer 20-Jahres-Skala sogar das 84- bis 87-fache erreichen.

Die Produktion von Methan hängt hauptsächlich von methanogenen Archaeen ab, die in einer anaeroben Umgebung organische Stoffe (wie Kohlendioxid, Wasserstoff, Formiat, Acetat usw.) in Methan umwandeln können. Dieser Prozess ähnelt einer chemischen Miniaturfabrik, die eine Reihe komplexer biochemischer Reaktionen umfasst, deren Schlüsselschritt durch den Methyl-CoA-Reduktase-Komplex (Mcr) katalysiert wird.

Treibhauseffekt-Diagramm

(Bildquelle: Referenz 1)

Neue Erkenntnisse zur Methanogenese bei Nicht-Euphrarchaea

Obwohl man allgemein glaubte, dass nur Euryarchaea Methan produzieren könnten, wurde diese Ansicht durch neuere metagenomische Studien in Frage gestellt. In mehreren Nicht-Euryarchaeen haben Wissenschaftler Gene entdeckt, die den Mcr-Komplex kodieren, was darauf hindeutet, dass diese Archaeen ebenfalls das Potenzial haben, Methan zu produzieren.

Obwohl Genomanalysen die potenzielle methanogene Kapazität dieser Archaeen aufgedeckt haben, konnte aufgrund des Mangels an Reinkulturen keine eingehende Untersuchung ihrer Stoffwechselmechanismen und ökologischen Funktionen durchgeführt werden. Diese Archaeen verblieben in einem Zustand der „dunklen Materie“ und ihre tatsächliche Fähigkeit zur Methanproduktion kann experimentell nicht nachgewiesen werden.

Ein Forschungsteam des Chengdu Biogas Science Research Institute des chinesischen Ministeriums für Landwirtschaft und ländliche Angelegenheiten hat in Zusammenarbeit mit der Universität Wageningen in den Niederlanden sieben Jahre damit verbracht, eine neue Art methanogener Archaeen, Methanosuratincola petrocarbonis LWZ-6, erfolgreich aus Ölfeldern zu isolieren und zu kultivieren. Die Methode wurde mithilfe der Cocktail-Trennmethode entwickelt (die vielfältige Wachstumsbedingungen bietet, um bestimmte Mikrobenarten aus komplexen Umweltproben zu untersuchen und zu isolieren, ähnlich wie wenn man einem „Cocktail“ verschiedene Zutaten hinzufügt, um die am besten geeignete Kombination von Zutaten für die erfolgreiche Kultivierung des Zielmikroorganismus zu finden).

Dies ist das erste Mal, dass der Mensch eine Reinkultur von Nicht-Euphrarchaea erhalten hat, die wertvolles experimentelles Material für die Untersuchung der Mechanismen des Kohlenstoffstoffwechsels und der ökologischen Funktionen dieser Archaeen liefert.

LWZ-6 ist ein thermophiles Archaeon, das zur Klasse Methanosuratincolia der Thermoproteobacteria gehört. Der Stamm LWZ-6 verwendet zur Herstellung von Methan nur Methanol und Monomethylamin als Elektronenakzeptoren (nimmt von anderen Molekülen übertragene Elektronen auf und erzeugt Energie durch Redoxreaktionen) und Wasserstoff als Elektronendonor, ist jedoch nicht in der Lage, Zucker, Peptide oder Aminosäuren zu fermentieren. Diese Entdeckung ist wie ein Schlüssel, der uns neue Erkenntnisse über den Entstehungsweg von Methan verschafft und die Bedeutung von Nicht-Euphrarchaea für die weltweiten Methanemissionen und den Kohlenstoffkreislauf offenbart.

Stoffwechselwege des Stammes LWZ-6

(Bildquelle: Referenz 2)

Umweltauswirkungen von Methan und Reaktionsstrategien

Als starkes Treibhausgas darf der Einfluss von Methan auf die globale Erwärmung nicht unterschätzt werden. Die Methankonzentration in der Atmosphäre hat seit der industriellen Revolution um das 2,5-fache zugenommen. Es wird prognostiziert, dass die Methanemissionen bis 2100 zu einem Anstieg der globalen Temperatur um 0,5 °C führen werden, wenn keine wirksamen Maßnahmen ergriffen werden.

Um die Klimaherausforderung der Methanemissionen zu bewältigen, schlagen wir eine Reihe von Minderungsstrategien vor. Im Agrarbereich beispielsweise können Maßnahmen wie die Verbesserung des Wasserressourcenmanagements auf Reisfeldern, die Optimierung von Viehzuchtmethoden und die Anpassung der Ernährungsstruktur dazu beitragen, die Methanemissionen zu reduzieren. Im industriellen Bereich ist der Einsatz methanogener Archaeen zum Abbau organischer Stoffe im Abwasser und zur Erfassung von Methan, das bei der Brennstoffgewinnung freigesetzt wird, ebenfalls ein wirksames Mittel zur Emissionsreduzierung.

Methankreislaufdiagramm

(Bildquelle: Referenz 3)

Abschluss

Methanogene Archaeen gehören zu den ältesten und wichtigsten Mikroorganismen der Erde. Sie spielten nicht nur eine Schlüsselrolle bei der Entstehung der frühen Umwelt der Erde, sondern spielen auch eine wichtige Rolle in modernen Kohlenstoffkreisläufen und beim Klimawandel. Durch die eingehende Erforschung dieser Archaeen können Wissenschaftler die komplexen Mechanismen des Kohlenstoffkreislaufs der Erde besser verstehen und wirksamere Strategien zur Reduzierung der Methanemissionen entwickeln, wodurch eine wissenschaftliche Grundlage für die Bekämpfung des globalen Klimawandels geschaffen wird.

Die Entdeckung von Methanosuratincola petrocarbonis LWZ-6 stellt einen bedeutenden Durchbruch in der Archaeenforschung dar und verdeutlicht die Bedeutung von Nicht-Euryarchaeen bei der Methanogenese. Mit dem Fortschritt der Technologie und der Vertiefung der Forschung hoffen wir, in Zukunft noch mehr Geheimnisse der Archaeen lüften und ihre einzigartige Rolle im Ökosystem der Erde erforschen zu können.

Quellen:

1. Fady Jameel. Nicht nur heiße Luft

2. Wu, K., Zhou, L., Tahon, G. et al. Isolierung eines methylreduzierenden Methanogens außerhalb der Euryarchaeota. Natur (2024).

3.Kanika Khanna, Wie methanogene Archaeen zum Klimawandel beitragen, 6. Mai 2022

4. Woese CR, Kandler O, Wheelis ML. Auf dem Weg zu einem natürlichen System von Organismen: Vorschlag für die Domänen Archaea, Bakterien und Eukaryoten. Proc Natl Acad Sci US A. 1990;87(12):4576-4579.

(Hinweis: Lateinische Teile im Text sollten kursiv gedruckt werden)