Anaerobe Methanoxidation
Die Anaerobe Methanoxidation ist ein Stoffwechselprozess, welcher von verschiedenen Mikroorganismen in Symbiose durchgeführt wird. Dieser Prozess findet in sauerstofffreien Meerwasser- und Süßwasser-Sedimenten statt. Methan wird nicht mittels Sauerstoff, sondern mittels Sulfat, Metalloxiden, Nitrat oder Nitrit oxidiert.
Methanoxidation mit Sulfat[Bearbeiten]
Dieser Prozess stellt eine Symbiose von methanotrophen Archaeen mit sulfatreduzierenden Bakterien dar.<ref>Katrin Knittel, Antje Boetius: Anaerobic Oxidation of Methane: Progress with an Unknown Process. In: Annual Review of Microbiology. 63, Nr. 1, 2009, S. 311–334, doi:10.1146/annurev.micro.61.080706.093130, PMID 19575572.</ref> Die beiden Organismen schließen sich meist zu Aggregaten (Konsortien) zusammen oder sie kommen als voluminöse Matten vor. Co-Kulturen können im Labor unterhalten werden, die Verdopplungszeit beträgt jedoch mehrere Monate.<ref>Katja Nauhaus, Melanie Albrecht, Marcus Elvert, Antje Boetius, Friedrich Widdel: In vitro cell growth of marine archaeal-bacterial consortia during anaerobic oxidation of methane with sulfate. In: Environmental Microbiology. 9, Nr. 1, 2007, S. 187–196, doi:10.1111/j.1462-2920.2006.01127.x.</ref> Die Archaeen werden ANME genannt (für anaerobe Methanotrophe) und sind eng verwandt mit methanogenen Archaeen. Der Stoffwechsel der anaeroben Methanoxidation ist umgekehrt zur Methanbildung. Aufgrund genetischer<ref>Steven J. Hallam, Nik Putnam, Christina M. Preston, John C. Detter, Daniel Rokhsar, Paul M. Richardson, Edward F. DeLong: Reverse Methanogenesis: Testing the Hypothesis with Environmental Genomics. In: Science. 305, Nr. 5689, 2004, S. 1457–1462, doi:10.1126/science.1100025, PMID 15353801.</ref> und enzymatischer<ref name="Scheller2010">Silvan Scheller, Meike Goenrich, Reinhard Boecher, Rudolf K. Thauer, Bernhard Jaun: The key nickel enzyme of methanogenesis catalyses the anaerobic oxidation of methane. In: Nature. 465, Nr. 7298, 2010, S. 606–608, doi:10.1038/nature09015.</ref> Untersuchungen wird angenommen, dass sehr ähnliche Enzyme die jeweilige Rückreaktion katalysieren. Die Verknüpfung der Methanoxidation mit der Sulfatreduktion wird gemäß der neuesten Hypothese durch elektrische Leitfähigkeit ermöglicht.<ref name="McGlynn2015" /><ref name="Wegener2015" /> Dabei fließen Elektronen via multi-heme c-type Cytochrome<ref name="Pirbadian2012">Sahand Pirbadian, Mohamed Y. El-Naggar: Multistep hopping and extracellular charge transfer in microbial redox chains. In: Physical Chemistry Chemical Physics. 14, 2012, S. 13802–13808, doi:10.1039/c2cp41185g</ref> von den methanotrophen Archaeen zu den sulfat-reduzierenden Bakterien.
Die Reaktionsgleichung lautet:
- <math>\mathrm{CH_4 + SO_4^{2-} \longrightarrow HCO_3^{-} + HS^{-} + H_2O}</math>
Methanoxidation mit Metalloxiden[Bearbeiten]
Anaerobe Methanoxidation gekoppelt mit der Reduktion von Eisen- und Manganoxiden wurde berichtet<ref name="Beal2009">Emily J. Beal, Christopher H. House, Victoria J. Orphan: Manganese- and Iron-Dependent Marine Methane Oxidation. In: Science. 325, 2009, S. 184–187, doi:10.1126/science.1169984.</ref>, jedoch konnte dieser Vorgang nicht einem spezifischen Organismus zugeordnet werden. Es konnte gezeigt werden, dass ANME, welche normalerweise mit sulfatreduzierenden Bakterien zusammenleben, in der Lage sind Elektronen von Methan auf verschiedene künstliche Oxidationsmittel zu übertragen.<ref name="Scheller2016">Silvan Scheller, Hang Yu, Grayson L. Chadwick, Shawn E. McGlynn, Victoria J. Orphan.: Artificial electron acceptors decouple archaeal methane oxidation from sulfate reduction. In: Science. 351, 2016, S. 703–707, doi:10.1126/science.aad7154.</ref> Aufgrund dieser Entdeckung kann spekuliert werden, dass Methanoxidation mit Metalloxiden ebenfalls funktionieren muss und somit ein alternativer Metabolismus darstellt für ANME, welche normalerweise mit sulfatreduzierenden Bakterien zusammenleben.<ref name="Rotaru2016">Amelia-Elena Rotaru, Bo Thamdrup.: A new diet for methane oxidizers. In: Science. 351, 2016, S. 658–659, doi:10.1126/science.aaf0741.</ref>
Methanoxidation mit Nitrat[Bearbeiten]
Methanoxidation mit Nitrat wird von Methanoperedens nitroreducens (ANME-2d) durchgeführt. Für diesen Organismus wurde das Genom entschlüsselt und zeigt, dass alle Gene für den Stoffwechsel der reversen Methanogenese vorhanden sind. Eine Kultivierung im Labor gelingt bislang nur in Co-Kultur, z. B. mit Anammox-Bakterien, welche das Stoffwechselprodukt Nitrit effizient entfernen.<ref name="Haroon2013" /><ref>Katharina F. Ettwig, Baoli Zhua, Daan Speth, Jan T. Keltjens, Mike S. M. Jetten, Boran Kartal: Archaea catalyze iron-dependent anaerobic oxidation of methane. 24. Oktober 2016, doi:10.1073/pnas.1609534113 (pnas.org).</ref><ref name="Vaksmaa2017">Annika Vaksmaa, Simon Guerrero-Cruz, Theo A. van Alen, Geert Cremers, Katharina F. Ettwig, Claudia Lüke, Mike S. M. Jetten: Enrichment of anaerobic nitrate-dependent methanotrophic ‘Candidatus Methanoperedens nitroreducens’ archaea from an Italian paddy field soil, in: Appl Microbiol Biotechnol, Band 101, Nr. 18, S. 7075–7084, 4. August 2017, doi:10.1007/s00253-017-8416-0, PMID 28779290, PMC 5569662 (freier Volltext)</ref>
Die Reaktionsgleichung lautet:
- <math>\mathrm{CH_4 + 4\ NO_3^{-} \longrightarrow CO_2 + 4\ NO_2^{-} + 2\ H_2O}</math>
Methanoxidation mit Nitrit[Bearbeiten]
Methanoxidation mit Nitrit wird vom Bakterium Candidatus Methylomirabilis oxyfera durchgeführt.<ref>Katharina F. Ettwig u. a.: Nitrite-driven anaerobic methane oxidation by oxygenic bacteria. In: Nature. 464, Nr. 7288, 2010, S. 543–548, doi:10.1038/nature08883.</ref> Es wird angenommen, dass dieses Bakterium intern Sauerstoff herstellt. Die eigentliche Methanaktivierung ist deshalb nicht anaerob. Der Stoffwechsel findet analog zur aeroben Methanoxidation statt.
Die Reaktionsgleichung lautet:
- <math>\mathrm{3\ CH_4 + 8\ NO_2^{-} + 8\ H^{+}\longrightarrow 3\ CO_2 + 4\ N_2 + 10\ H_2O}</math>
Umweltrelevanz[Bearbeiten]
Die anaerobe Methanoxidation überführt das starke Treibhausgas Methan in das weniger starke Treibhausgas CO2. Es wird geschätzt, dass bis zu 300 Millionen Tonnen Methan pro Jahr mit Sulfat oxidiert werden.<ref name="Scheller2010" />
Siehe auch[Bearbeiten]
Einzelnachweise[Bearbeiten]
<references />