Methanogene – von Reisfeldern bis hin zu Gaslagerstätten
Was sind Methanogene?
In welchen Umgebungen kommen Methanogene vor?
Was ist die biochemische Grundlage für die Methanproduktion durch Methanogene?
Werden Methanogene immer den Archaea zugeordnet?
Welche Rolle spielen Methanogene im menschlichen Mikrobiom?
Gibt es eine biotechnologische Anwendung für Methanogene?
Wie verändern innovative Ansätze unsere Sichtweise auf Methanogene?
Jedes Jahr werden durch mikrobielle Aktivität mehrere hundert Millionen Tonnen Methan in die Atmosphäre freigesetzt, und fast das gesamte Methan lässt sich auf eine Stoffwechselgruppe zurückführen: die Methanogenen. Diese Organismen stehen am Ende der anaeroben Nahrungskette und wandeln die Rückstände der Gärung in Gas um. Sie leben in Sümpfen, in den Mägen von Wiederkäuern, in Klärschlamm und in porösem Gestein zwei Kilometer unter der Erdoberfläche. Für Ingenieure von Biogas-, Biomethan- und Power-to-Gas-Anlagen sind sie keine Kuriosität. Sie sind ein aktiver Teil des Prozesses.
Was sind Methanogene?
Ein Methanogener ist ein Archaeon, dessen Energiestoffwechsel in Methan mündet. Anstatt Sauerstoff zu atmen, übertragen diese Archaeen Elektronen auf Kohlendioxid, und das dabei freigesetzte Gas ist CH₄. Der einfachste und für die meisten Arten kostengünstigste Weg läuft über Wasserstoff (hydrogenotrophe Methanogenese):
4 H₂ + CO₂ → CH₄ + 2 H₂O
Aus dieser Gleichung ergeben sich zwei Konsequenzen. Die Organismen benötigen zum Wachstum ausschließlich anorganische Substanzen, was sie von den meisten in der Industrie eingesetzten Mikroben unterscheidet. Und das gesamte System bricht an der Luft zusammen. Die beteiligten Enzyme, vor allem die Hydrogenasen und die Methyl-Coenzym-M-Reduktase, enthalten Metallzentren, die bei Kontakt mit O₂ oxidieren. Ein auf diese Weise beschädigtes aktives Zentrum einer Hydrogenase lässt sich nicht einfach wieder aktivieren. Die Empfindlichkeit ist hier keine Frage des Ausmaßes. Viele Stämme verlieren innerhalb von Minuten nach der Exposition ihre Lebensfähigkeit, weshalb die Laborarbeit mit diesen Archaeen nichts mit der üblichen aeroben Mikrobiologie gemein hat.
Methanogene sind streng anaerobe Archaeen und vertragen keinerlei Sauerstoff, nicht einmal in geringsten Mengen.
Ein Methanogener, der sich von H₂ und CO₂ ernährt, benötigt meist keinerlei organische Kohlenstoffquelle.
Die Kultivierung eines Methanogenen erfordert reduzierte Nährmedien, eine sauerstofffreie Gasphase und gasdichte Inkubationsgefäße.
In welchen Umgebungen kommen Methanogene vor?
Ihre Verbreitung folgt einer einfachen Regel: Überall dort, wo der Sauerstoff aufgebraucht ist und weiterhin alternative Elektronendonatoren hinzukommen, treten diese Archaeen auf. Feuchtgebiete und Mangrovensedimente sind klassische Lebensräume, ebenso wie staunasse Böden und Reisfelder, wo sie einen erheblichen Anteil an den landwirtschaftlichen Methanemissionen ausmachen. Technische Systeme funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Ein Biogasreaktor ist ein künstlich angelegter Sumpf, und die darin lebende Gemeinschaft erfüllt dort die Aufgabe, die sie in der Natur schon immer erfüllt hat.
Auch Tiere beherbergen sie. Der Pansen von Rindern und Schafen enthält dichte Populationen, die Gärungswasserstoff in Methan umwandeln, Termiten tragen ihre eigenen Gemeinschaften im Hinterdarm mit sich, und der menschliche Körper bildet da keine Ausnahme, wie weiter unten näher beschrieben wird. Tief unter der Erdoberfläche liegende Formationen vervollständigen das Bild. Hier sind Hochdruckprobenahmen und Kultivierungen bei Formationsdruck die einzige Möglichkeit, die mikrobiellen Zellen intakt zu gewinnen und zu untersuchen.
Feuchtgebiete, Mangroven und Reisfelder beherbergen Methanogene in der anoxischen Zone unterhalb der Wasserlinie oder in sauerstofffreien, ökologischen Nischen.
Biogasanlagen sind auf eine stabile Methanogenpopulation angewiesen, um Acetat und Wasserstoff in Brenngas umzuwandeln.
Im Pansen und im Darm von Termiten verbraucht ein Methanogen den Wasserstoff, der von fermentierenden Partnern freigesetzt wird.
Diese Organismen lebend aus solchen Lebensräumen zu entnehmen, ist die große Herausforderung. Eine Probe, die auf dem Weg ins Labor der Luft ausgesetzt war, kommt mit inaktivierten Hydrogenasen und toten oder beschädigten Zellen an. Deshalb entscheidet die anaerobe Probenahme unter streng sauerstofffreien und, wo relevant, druckerhaltenden Bedingungen darüber, was anschließend kultiviert werden kann.
Was ist die biochemische Grundlage für die Methanproduktion durch Methanogene?
Nicht jeder Methanogene produziert Methan auf dieselbe Weise. Es werden drei Stoffwechselwege unterschieden, und das in einem bestimmten Lebensraum verfügbare Substrat bestimmt, welcher davon dominiert. Der hydrogenotrophe Weg reduziert CO₂ mit Wasserstoff über eine Reihe von C1-Zwischenprodukten, die an Trägermoleküle gebunden sind, wobei Hydrogenase-Enzyme die Elektronen liefern. Der acetiklastische Weg spaltet Acetat, wobei die Methylgruppe in Methan und die Carboxylgruppe in CO₂ umgewandelt wird; er liefert den größten Teil des Gases in einem typischen Fermenter. Der methylotrophe Weg beginnt mit Methanol, Methylaminen oder methylierten Sulfiden, wobei einige Moleküle oxidiert werden, um Elektronen für die Reduktion der anderen bereitzustellen.
Alle drei Wege laufen in der Methyl-Coenzym-M-Reduktase zusammen, dem Enzym, das den Cofaktor F₄₃₀ trägt und das fertige Methanmolekül freisetzt. Alles, was diesem Schritt vorausgeht, dient der Vorbereitung.
Beim Umgang mit Wasserstoff wird die Enzymologie besonders interessant. Welchen Satz an Hydrogenasen ein Organismus besitzt, bestimmt, auf welchen Substraten er wachsen kann. Es sind mehrere Klassen von Hydrogenasen beteiligt, von denen jede eine bestimmte Aufgabe erfüllt. Die F₄₂₀-reduzierende Hydrogenase liefert reduziertes F₄₂₀ für die mittleren Schritte des Stoffwechselwegs. Die Methylviologen-reduzierende Hydrogenase arbeitet mit der Heterodisulfid-Reduktase im Elektronenverzweigungskomplex zusammen, der die Energiebilanz der Methanogenese ausgleichen lässt. Energieumwandelnde Hydrogenasen wie Ech, Eha und Ehb koppeln den Wasserstoffumsatz an einen Ionengradienten über die Membran.
Bei den meisten handelt es sich um [NiFe]-Hydrogenasen, und ihre aktiven Zentren sind genau die Stellen, an denen Sauerstoff zuerst angreift. Ein ungewöhnliches Enzym, die Eisen-Guanylylpyridinol-Hydrogenase Hmd, enthält Eisen, aber kein Nickel, und springt ein, wenn Nickel knapp ist; es ist die einzige bekannte Hydrogenase, die ohne Nickelzentrum funktioniert. Arten ohne Cytochrom-System sind auf den elektronenbifurkierenden Hydrogenase-Komplex angewiesen, um Energie zu sparen, was ein Grund dafür ist, dass diese Archaeen langsam wachsen. Die Messung der Hydrogenase-Aktivität ist eine praktische Methode, um zu beurteilen, ob eine Kultur metabolisch aktiv ist oder lediglich vorhanden ist.
Werden Methanogene immer den Archaea zugeordnet?
Jahrzehntelang lautete die Antwort eindeutig „Ja“. Die Methanproduktion galt als definierendes Merkmal eines Zweigs der Archaea, und die klassischen Ordnungen, die Methan in großen Mengen produzieren – darunter die Methanobacteriales, Methanosarcinales und Methanomicrobiales – sind ohne Einschränkung den Archaea zugeordnet.
Dieses Bild hat sich jedoch gelockert. Genomuntersuchungen haben die Methanogenese in archaeellen Stammbäumen verortet, mit denen niemand gerechnet hatte, darunter auch Gruppen außerhalb der Euryarchaeota, und Methyl-Coenzym-M-Reduktase-Gene wurden in Archaeen gefunden, die das Enzym offenbar in umgekehrter Richtung nutzen und Methan oxidieren, anstatt es zu produzieren.
Methanbildung wurde auch außerhalb der Archaea beschrieben. Bestimmte Bakterien und sogar pflanzliches und tierisches Gewebe setzen Methan durch Nebenreaktionen der Phosphonatspaltung oder des Methylschwefelstoffwechsels frei. Diese chemischen Vorgänge sind real, aber sie hat nichts mit der oben beschriebenen energiesparenden Physiologie zu tun. Ein Bakterium, das Methan als Nebenprodukt abgibt, verhält sich nicht wie die klassischen Archaea, und die brauchbare Arbeitsdefinition knüpft den Begriff an die Methyl-Coenzym-M-Reduktase und nicht an einen Taxon-Namen oder einen Lebensraum.
Welche Rolle spielen Methanogene im menschlichen Mikrobiom?
Sie gehören zur normalen Flora des menschlichen Körpers. Methanobrevibacter smithii ist die vorherrschende Archaeenart im Darm der meisten Erwachsenen, Methanosphaera stadtmanae kommt daneben vor, und Methanobrevibacter oralis lebt in der Mundhöhle, insbesondere in den Zahnfleischtaschen. Was sie beitragen, ist weniger offensichtlich als die Tatsache, dass sie überhaupt vorhanden sind. Die naheliegende Funktion ist der Abbau von Wasserstoff. Indem sie das von fermentierenden Bakterien produzierte H₂ verbrauchen, sorgen diese Archaeen für günstige thermodynamische Bedingungen bei der Fermentation und ermöglichen es ihren Partnern, weiterzuarbeiten.
Ein Punkt verdient besondere Hervorhebung, da er oft missverstanden wird: Es wurde noch nie eine pathogene Archaeon nachgewiesen. Jeder als humanpathogen identifizierte Mikroorganismus gehört zu den Bakterien, Pilzen, Protozoen oder Viren. Assoziationsstudien haben dennoch Zusammenhänge mit Krankheitszuständen berichtet, und Methanobrevibacter oralis wurde im Zusammenhang mit Parodontitis diskutiert. Assoziation ist kein Kausalzusammenhang, und die Mechanismen sind noch ungeklärt.
Ein Methanogen im Darm senkt den durch bakterielle Fermentation erzeugten Wasserstoffpartialdruck.
Kein Methanogen und keine andere Archaeenart wird derzeit als humanpathogen eingestuft.
Bei Patienten mit Darmkrebs wurde eine höhere Häufigkeit bestimmter Methanogene festgestellt.
Gibt es eine biotechnologische Anwendung für Methanogene?
Die klassische Anwendung ist Brenngas. Die anaerobe Vergärung wird seit über einem Jahrhundert mit diesen Archaea betrieben, und jede Biogasanlage ist ein kontrollierter Lebensraum, der darauf ausgelegt ist, die Produktivität der Gemeinschaft aufrechtzuerhalten. Die Biomethanisierung erweitert dieses Konzept. Führt man Wasserstoff aus überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energien zusammen mit CO₂ in einen Reaktor ein, entsteht Methan, das ohne weitere Aufbereitung in das bestehende Gasnetz eingespeist werden kann. Das ist es, was „Power-to-Methane“ in der Praxis bedeutet, und die Umwandlung selbst wird durch Hydrogenasen angetrieben, wodurch der Wasserstofftransfer in die flüssige Phase zum limitierenden Schritt wird und nicht die biologischen Prozesse.
Die größere Chance liegt unter der Erde. Erschöpfte Gasreservoirs und poröse Formationen, die bereits zur Speicherung genutzt werden, enthalten einheimische Archaeen sowie den Druck, die Temperatur und das Formationswasser, die diese benötigen. Das Einleiten von Wasserstoff kann eine Methanisierung vor Ort auslösen und das Reservoir selbst in einen Reaktor verwandeln. Ein ehemaliges fossiles Gas Der Speicher fungiert dann als sehr große Biomethananlage, ohne dass ein Behälter gebaut oder ein Katalysator gekauft werden muss.
Biogasanlagen sind auf Methanogene angewiesen, um Säuren und Wasserstoff in Methan umzuwandeln.
Bei der unterirdischen Methanisierung werden die Methanogene des Reservoirs und ihre Hydrogenasesysteme unter Formationsdruck genutzt.
Wird Wasserstoff gespeichert statt umgewandelt, verbraucht eine unkontrollierte Methanogenpopulation einen Teil des Arbeitsgases und verändert dessen Zusammensetzung.
Die Charakterisierung der unterirdischen Mikrobiologie eines Standorts gehört daher in die Planungsphase, bevor eine Formation für die Wasserstoffnutzung vorgesehen wird.
Wie verändern innovative Ansätze unsere Sichtweise auf Methanogene?
Die Betrachtung von Methanogenen als reine Methanfabrik erscheint mittlerweile zu eng gefasst. Diese Archaeen bauen ihre gesamte Biomasse aus CO₂ auf, wobei sie kaum mehr als eine Hydrogenase und eine Reduktase benötigen – was bedeutet, dass dabei auch Aminosäuren, Vitamine und Lipide entstehen. Ein Forschungsansatz zielt darauf ab, diese Biomasse anstelle des Gases zu gewinnen, indem die natürliche Ausscheidung von Aminosäuren – darunter Lysin – als Grundlage für die Proteinproduktion aus CO₂ und Wasserstoff genutzt wird. Das österreichische Unternehmen Arkeon GmbH hat dieses Konzept verfolgt.
Die Genetik ist der zweite Durchbruch. Methanothermobacter thermautotrophicus verfügt nun über ein funktionsfähiges genetisches System, was bedeutet, dass erstmals Deletions- und Expressionsexperimente in einem thermophilen, hydrogentrophen Organismus möglich sind. Fragen, die vor einem Jahrzehnt noch unantastbar waren, sind nun bearbeitbar, wie beispielsweise der Beitrag eines einzelnen Hydrogenase-Gens zur Wachstumsrate oder welche Regulationskreisläufe den Wechsel zwischen Elektronenträgern steuern.
Der dritte Wandel betrifft die Hydrogenasen selbst. Viele dieser Enzyme katalysieren eine reversible Reaktion, sodass derselbe Mechanismus, den ein Methanogen zur Spaltung von Wasserstoff nutzt, unter geeigneten Bedingungen auch Wasserstoff aus Protonen und Elektronen bilden kann. Dies macht Hydrogenasen zu Kandidaten für die biologische Wasserstoffproduktion, wobei Enzyme aus thermophilen Organismen von besonderem Interesse sind, da sie bei erhöhten Temperaturen stabil bleiben.
Ein Methanogen bindet Kohlenstoff und Stickstoff in Biomasse, nicht nur in Methan.
Von Methanogenen ausgeschiedene Aminosäuren eröffnen einen Weg zur Herstellung von Proteinen aus CO₂.
Ein genetisch manipulierbares Methanogen ermöglicht die gezielte Deletion einzelner Hydrogenase-Gene.
Hydrogenasen, die Enzyme, auf die ein Methanogen zur Wasserstoffaufnahme angewiesen ist, werden auch als Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion untersucht
Diese Archaeen haben sich von einem Nischenthema der mikrobiellen Ökologie zu einem funktionierenden Bestandteil der Energieinfrastruktur entwickelt, und dieselbe Physiologie, die sie nützlich macht, führt auch dazu, dass sie bei der Probenahme leicht verloren gehen können. Der richtige Umgang mit ihnen beginnt schon lange vor dem Labor, nämlich bei der Art und Weise, wie die Probe entnommen und sauerstofffrei aufbewahrt wird.
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