Methan ist ein starkes Treibhausgas und für etwa ein Drittel des derzeitigen globalen Temperaturanstiegs verantwortlich. Wahrscheinlich wäre dieses unter anderem vom Meeresgrund und vielen Gewässern freigesetzte Gas sogar noch klimaschädlicher, wenn ihm nicht bestimmte Bakterien Einhalt gebieten würden. Diese Mikroben nehmen das Methan auf und nutzen es zur Energiegewinnung in ihrem Stoffwechsel. Biologen haben nun herausgefunden, wie das den winzigen Nützlingen sogar in sauerstofffreiem Wasser gelingt.
Methan ist nach Kohlendioxid das schädlichste Treibhausgas in unserer Atmosphäre. Es ist für etwa ein Drittel des weltweiten Temperaturanstiegs verantwortlich. Wir Menschen setzen es zum Beispiel im Rahmen der Tierhaltung oder durch Abfalldeponien frei, doch es gibt auch große natürliche Quellen wie Meere und Seen. Diese sind aber glücklicherweise mit einem eigenen Methanfilter ausgestattet: Bakterien, die Methan für ihr Wachstum und zur Energiegewinnung benötigen und Teile des Gases dadurch davon abhalten, in die Atmosphäre zu gelangen.
Bakterienangeln in der Schweiz
Trotz ihrer wichtigen Funktion als natürliche Methansenke gibt es noch viele offene Fragen zur genauen Lebensweise solcher methanotrophen Bakterien. Um mehr über die Stoffwechselprozesse dieser Mikroorganismen zu erfahren, haben Forschende um Sina Schorn vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen nun aerobe methanoxidierende Bakterien (MOB) im Schweizer Zugersee untersucht. Der See ist fast 200 Meter tief, aber dauerhaft geschichtet, sodass sein Wasser ab einer Tiefe von etwa 120 Metern sauerstofffrei ist. Normalerweise dürften hier keine methanoxidierenden Bakterien vorkommen, da sie für ihren Stoffwechsel auf Sauerstoff angewiesen sind, doch sie leben hier trotzdem. Wie gelingt ihnen das?
Um die Geheimnisse dieser Bakterien zu lüften, nahmen Schorn und ihre Kollegen Seewasser-Proben und versetzten diese mit Methanmolekülen, die sie zuvor mit schweren Kohlenstoffatomen markiert hatten. Mit speziellen Instrumenten konnten sie nun molekularbiologisch nachverfolgen, wie und ob die verschiedenen Bakterien in den Wasserproben das Methan verstoffwechselten. Dabei zeigte sich, dass nur eine bestimmte Gruppe von MOB – erkennbar an ihrer länglichen Zellform – auch im sauerstofffreien Wasser dauerhaft aktiv war. „Zu unserer Überraschung waren diese Zellen unter oxischen und anoxischen Bedingungen – also mit und ohne Sauerstoff – gleichermaßen aktiv“, erklärt Schorn. „Wenn wir also in anoxischen Gewässern geringere Raten der Methanoxidation messen, liegt das vermutlich daran, dass es dort weniger dieser besonderen stäbchenförmigen Zellen gibt und nicht etwa an einer geringeren Aktivität der Bakterien.“
Stoffwechseltricks gegen Sauerstoffmangel
Wie diese Gruppe von aeroben methanoxidierenden Bakterien gedeiht, auch wenn der Sauerstoff knapp wird, konnten die Forschenden an den Genen der Mikroben ablesen. Zum Beispiel fanden sie einige Gene für die Denitrifizierung, mittels derer die Bakterien wahrscheinlich auch Nitrat statt Sauerstoff zur Energiegewinnung nutzen können. Schorn und ihre Kollegen entdeckten außerdem Gene für eine spezielle Methan-basierte Fermentation, die Methan bei Sauerstoffmangel in Fettsäuren wie Acetat und Lactat und in Wasserstoff umwandelt und den Bakterien so das Überleben sichert. Bei dieser Form der Fermentation setzen die Mikroben wahrscheinlich auch Substanzen frei, die wiederum von anderen Bakterien im See genutzt und in ihre Zellen eingebaut werden können.
„So wird der enthaltene Kohlenstoff, der ursprünglich aus dem klimaschädlichen Methan stammt, noch länger im See zurückgehalten und gelangt nicht in die Atmosphäre. Das ist eine bisher nicht berücksichtigte Senke für Methankohlenstoff in anoxischen Lebensräumen, die wir in unsere Berechnungen zukünftig mit einbeziehen müssen“, sagt Seniorautorin Jana Milucka vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie.
Quelle: Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie; Fachartikel: Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-024-49602-5
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