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Methanotrophie - Methan als Lebensgrundlage für Ökosysteme der Tiefsee

Energie aus der Tiefe

von Prof. Dr. Antje Boetius

Prof. Dr. Antje Boetius, HGF-MPG-Brückengruppe
für Tiefseeökologie und Technologie, Bremerhaven

Das Erdgas Methan dient uns als fossiler Energieträger zur Beheizung von Häusern, zur elektrischen Stromerzeugung und sogar als Treibstoff für Kraftfahrzeuge. Aber auch Tiefsee-organismen können davon leben. Erst seit einigen Jahren weiß man, dass das meiste Methan auf der Erde von Mikroorganismen gebildet, gefroren in Form von Gas-hydraten im Meeresboden lagert. Das sogenannte Methaneis oder Methanhydrat entsteht in großer Meeres-tiefe (unterhalb von 500 m) bei geringer Temperatur (niedriger als 6 °C). Wenn es zu warm wird, schmilzt das Methaneis und entlässt riesige Mengen an Gasblasen. Manchmal findet das in spektakulärer Weise als Explosion statt, wobei ganze Stücke Meeresboden umgepflügt oder versetzt werden können. Es entstehen dabei geologische Strukturen, wie z.?B. Löcher im Meeres-boden, Krater, Schlote und Schlammvulkane und Hang-rutschungen, diese gas-getriebenen Geosysteme bilden faszinierende Öko-systeme in der Tiefsee.

Methan (CH4) entsteht in großen Mengen als eines der Endprodukte bei der mikrobiellen Zersetzung von organischem Material. Die Produzenten sind methanogene Mikroorganismen (Archaea) wie Methanobacterium, das CO2 und H2 zu Methan umsetzt oder Methanosarcina, das zum Beispiel Acetat zersetzen kann. Die mikrobielle -Methanbildung findet an Land vor allem in Feuchtbio-topen wie in Reisfeldern und Sümpfen statt, aber auch in Kuhmägen und Termitendärmen (Tab.).
Im Ozean entsteht Methan vor allem im Meeresboden bei Fäulnisprozessen, wo wie an Land methanogene -Archaea Wasserstoff oder andere Endprodukte der Zer-setzung von organischen Stoffen zur Energiegewinnung -nutzen. Der Meeresboden ist der größte Lebens- und -Ablagerungsraum der Erde. Er ist weitgehend von Sedimenten bedeckt, die aus abgesunkenen anorganischen und organischen Partikeln von den Kontinenten und aus der Wassersäule bestehen. Diese Sedimentschichten sind bis zu 10 km dick und ruhen auf der Ozeankruste. Methan entsteht auch ohne die Beteiligung von Mikroorganismen meist zusammen mit Erdöl tief im Meeresboden, wenn das abgesunkene organische Material bei hohem Druck und durch die Erdhitze chemisch umgewandelt wird.
Dennoch trägt der Ozean normalerweise kaum zur Emission von Methan in die Atmosphäre bei, da das -Methan zumeist schon in den Sedimenten wieder von Mikroorganismen aufgezehrt wird. An Land wird Methan von aeroben methanotrophen Bakterien mit Sauerstoff oxidiert und zu Kohlendioxid umgesetzt. Da Sauerstoff im Meeresboden oft schon in einer Tiefe von wenigen Millimetern bis Zentimetern verbraucht ist, geschieht der größte Teil der Oxidation von Methan mit Sulfat, das im Meereswasser in hohen Konzentrationen vorkommt (durchschnittlich 28 mM). Dieser Prozess ist schon seit Jahrzehnten bekannt; aber erst vor 10 Jahren gelang es, die verantwortlichen Mikroorganismen zu finden, die Methan ohne Sauerstoff veratmen können und so entscheidend die Emission von Methan aus dem Ozean kontrollieren.
Auf Einladung des GEOMAR-Forschungszentrums für Marine Geowissenschaften in Kiel konnten wir im August 1999 an einer Expedition mit dem Forschungsschiff SONNE zum Kontinentalhang vor Oregon (USA) teilnehmen. Am Untersuchungsort, dem „Hydratrücken”, wird ständig eine große Menge an Methan aus zerfallenden Gashydraten freigesetzt, da diese bei einer Wassertiefe von weniger als 800 m und einer Temperatur von 8?°C instabil sind. Der hohe hydrostatische Druck verursacht, dass sich wesentlich mehr Methan im Wasser lösen kann als unter den Bedingungen an Land oder im Flachwasser. Daher konnte vermutet werden, dass an Methanquellen der ansons-ten nahrungslimitierten Tiefsee besondere Methanoxidierer im Meeresboden zu finden sind.
Methanquellen oder auch „Cold Seeps“ wurden als ebenso faszinierende Ökosysteme der Tiefsee kurze Zeit nach den Hydrothermalquellen entdeckt. An kalten Methanquellen dient chemische Energie aus Methan als -Lebensgrundlage für eine Vielzahl von Mikroorganismen. Erstaunlicherweise finden sich an den kalten Quellen aber auch nahe Verwandte der Röhrenwürmer, Muscheln und Bakterienmatten, wie sie von Hydrothermalquellen bekannt sind, und die nicht Methan sondern Schwefelwasserstoff nutzen. Wir konnten bei Untersuchungen von methanreichen Meeresböden auch das Rätsel um den Ursprung des Schwefelwasserstoffs lösen – im -Meeresboden gibt es Milliarden von Archaea, die mithilfe von anderen Bakterien das Methan mit Sulfat veratmen und Schwefelwasserstoff produzieren. Heute wissen wir, dass die methanotrophen Archaea global die Emission von Methan aus dem Meeresboden kontrollieren und daher einen ganz wichtigen Regulator des Treibhausgases Methan auf der Erde darstellen.
Um die methanoxidierenden Archaea im gashydrat-haltigen Sediment identifizieren zu können, benutzen wir die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH), mit der Bakterien je nach ihrer Zugehörigkeit zu verschiedenen taxonomischen Gruppen durch kleine Nukleinsäure-Sonden, die einen Fluoreszenzfarbstoff tragen, markiert und mikroskopisch untersucht werden können. Als erstes fiel auf, dass in den methanhaltigen Sedimenten oberhalb der Gashydrate Massen eines besonderen Zelltyps von Archaeen auftreten, meist in Aggregaten aus 100 und mehr Zellen. Am spannendsten war der Befund, dass die Zellaggregate stets von sulfatreduzierenden Bakterien umwuchert waren, wie wir mit einer Doppelfärbung zeigen konnten. Diese Aggregate aus Bakterien und Archaea kommen in den methanreichen Sedimenten des Hydratrückens mit Zellzahlen von bis zu 100 Millionen pro Milliliter Schlamm vor, also mit einer enormen Biomasse für einen Tiefsee-Standort. Eng gekoppelt an das Auftreten dieser Zellaggregate (Konsortien) konnten wir extrem hohe Sulfatreduktions- und auch Methan-oxidationsraten direkt oberhalb der Gashydrate messen. -Damit war der erste mikroskopische Nachweis einer Symbiose aus Mikroorganismen gelungen, die Methan mittels Sulfat abbauen können, und damit eine wichtige Rolle im Methankreislauf des Meeres übernehmen. Inzwischen konnten wir die methanzehrenden Konsortien in allen Weltmeeren und auch an Land finden, wo immer Methan und Sulfat zur Verfügung stehen.
Die anaeroben methanotrophen Archaea (ANME) sind verwandt mit den Methanosarcinales und bilden mehrere Untergruppen, die als ANME-1, -2 oder -3 bezeichnet werden. Ihre Partner, die sulfatreduzierenden Bakterien, gehören zur Gruppe Desulfosarcina/Desulfococcus der Deltaproteobakterien und fallen unter einen neu beschriebenen Zweig von Sulfatreduzierern, die einen bedeutenden Anteil der Sulfatreduzierer-Biomasse in arktischen Sedimenten ausmachen, und auch als Sym-biosepartner in einem Oligochaeten entdeckt wurden. Unsere gegenwärtige Hypothese ist, dass die Sulfatreduzierer gemeinsam mit Verwandten der methanogenen Archaea in der Lage sind, die Reaktionsbedingungen im Sediment so zu beeinflussen, dass diese – anstatt Methan zu produzieren – in einer Umkehrreaktion das Methan mit Wasser oxidieren könnten. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Sulfatreduzierer ein bisher unbekanntes Zwischenprodukt so effizient aus der Umgebung der Archaea entfernen (mittels Oxidation mit Sulfat), dass für die Archaea ausreichend Energie aus der reversen Methanogenese entsteht. Welche Enzyme dabei benutzt werden, ist bisher unbekannt, erste metagenomische und proteomische Untersuchungen zeigen, dass eine Reihe von funktionel-len Enzymen nahe verwandter methanogener Archaea und Sulfatreduzierer exprimiert werden.
Weder ein Vertreter der anaeroben methanotrophen Archaea, noch der sulfatreduzierenden Partner-Bakterien sind bisher kultiviert worden. Es ist uns aber gelungen, Bioreaktor-Systeme aufzubauen, mit denen unter verschie-denen Druck- und Temperaturbedingungen die an-aerobe Oxidation von Methan im Labor untersucht werden kann. Mittels verschiedener Laborexperimente können wir die Umsetzungen des Methans durch die Symbiosen direkt nachweisen und die Kinetik der Methanum-setzung und des Wachstums der Konsortien unter verschiedenen chemischen und physikalischen Reaktionsbedingungen untersuchen. Diese Experimente sollen die Faktoren identifizieren, die den Prozess der anaeroben Methanoxidation regulieren. Doch auch wenn man unter hohem Druck viel Methan und Sulfat zufüttert, gemäß thermodynamischen Berechnungen und unseren Beobachtungen ist nur ein extrem niedriger Energiegewinn aus der anaeroben Methanoxidation zu erhalten, der auch nur ein geringes Wachstum zulässt. So teilen sich die Zellen im Durchschnitt nur alle 7 Monate auch unter günstigsten Bedingungen.
Dass bisher keine isolierten und -kulti-vierbaren Mikroorganismen gewonnen werden konnten, erschwert die bio-chemi-schen und genomischen Untersuchungen sehr, allerdings können wir mittlerweile auf hoch angereicherte Umweltproben zurückgreifen, um das Rätsel um die Funktion der anaeroben Methan-oxidation zu lösen. Diesen Prozess zu verstehen, ist ungeheuer wichtig: Die anaerobe Oxidation von Methan ist nach ersten Schätzungen eine ebenso große Senke für Methan wie die aerobe Methan-oxidation an Land und leistet daher einen wichtigen Beitrag zum Methankreislauf und damit zum Klimahaushalt der Erde. Denn wenn Methan in die Atmosphäre entweicht, ist es ein aggressives Treib-hausgas, es wirkt 22 x stärker als Kohlendioxid und trägt trotz seines geringen Anteils in der Luft schon zu über 20 % zu der globalen Erderwärmung bei.

Foto: © MARUM, Universität Bremen, Meteor-Reise M72/2 MICROHAB