Seltsame Isotope

Mikrobielle Konsortien aus anaeroben methanoxidierenden Archaeen (rot) und ihre sulfatreduzierenden Partnerbakterien (grün). Die weiße Maßstabsleiste markiert eine Länge von 10 µm ©V. Krukenberg, Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

Methan, eine chemische Verbindung mit der Summenformel CH4, ist nicht nur ein starkes Treibhausgas, sondern auch eine wichtige Energiequelle. Spezialisierte Mikroben, die ANaerob MEthanoxidierenden Archaeen (ANMEs), können durch die anaerobe Methanoxidation (AOM) CH4 für ihren Stoffwechsel nutzen. Sie leben in enger Gemeinschaft mit Bakterien, die die bei der Methanoxidation freigesetzten Elektronen nutzen, um Sulfat zu reduzieren. Dazu bilden beide Organismen charakteristische Konsortien. Dieser Prozess findet häufig in sogenannten Sulfat-Methan-Übergangszonen – Schichten im Meeresboden, in denen Sulfat aus dem Meerwasser auf Methan aus dem tieferen Meeresboden trifft – statt. 

Da die Methanoxidation weltweit im Meeresboden abläuft, bildet sie einen wichtigen Teil des Kohlenstoffkreislaufs. Jedoch ist die anaerobe Methanoxidation äußerst mühsam zu erforschen, da die Reaktion sehr langsam abläuft. Deswegen nutzen Forschende gerne einen chemischen Kniff: die stabilen Isotopenverhältnisse im Methan. Doch leider verhalten sich diese Isotope nicht immer so wie erwartet, was zu einiger Verwirrung über die Rolle und Funktion der beteiligten Mikroben führte. Jetzt haben Forschende des Bremer Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie und des MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften in Bremen gemeinsam mit Kollegen vom Weizmann Institute of Science in Israel dieses Isotopen-Rätsel gelöst. 

Isotope sind verschiedene „Versionen“ eines Elements mit unterschiedlichen Massen, welche durch die Anzahl der Neutronen (neutrale Teilchen) im Atomkern bestimmt werden. Obwohl die chemischen Eigenschaften der beiden stabilen Isotope identisch sind, verursacht der Massenunterschied unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeiten. In der Regel werden chemische Verbindungen mit leichten Isotopen schneller umgesetzt, wodurch die schwerere Variante übrigbleibt. 
Jedoch findet sich entgegen dieser Logik in den Sulfat-Methan-Übergangszonen sehr leichtes 12C-reiches Methan und es kommt nicht wie angenommen zu einer Anreicherung des schwereren 13C durch die Methanoxidation. Dieses Paradoxon wirft Fragen auf, etwa: Wird dort Methan gar nicht verbraucht, sondern produziert? Und wer, wenn nicht die zahlreich vorkommenden ANME-Archaeen, sollte dafür verantwortlich sein?

Zunächst konnten die Forschenden durch die hohen Sulfatkonzentrationen, die wir normalerweise im Meerwasser finden, diesen Prozess im Labor nicht nachempfinden. Das verbleibende Methan war mit den schwereren Isotopen angereichert. Wurden die gleichen Versuche jedoch mit wenig Sulfat durchgeführt, reicherte sich 12C im Methan an, es wurde also leichter. Und das, obwohl gleichzeitig weiterhin Methan verbraucht wurde – ein Effekt, der auf den ersten Blick nicht zu erklären ist.

Dieses ungewöhnliche Verhalten der Isotopenwerte kann durch genaueres Betrachten der beteiligten Reaktionen erklärt werden. Die anaerobe Methanoxidation beruht auf einer Enzymkaskade von sieben Reaktionen, die potenziell auch reversibel ablaufen können. Das heißt, sie können in beide Richtungen ablaufen, wobei jede Reaktion auch ihre eigenen Isotopeneffekte hat. Mithilfe eines Isotopenmodells konnte Jonathan Gropp, Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel, zeigen, dass, je nachdem wieviel Sulfat zur Verfügung steht, die Teilreaktionen in unterschiedlichem Maße umkehrbar sind. Das könnte dann dazu führen, dass die schweren Isotope nicht wie üblich zurückbleiben, sondern in der Reaktionskette steckenbleiben, während die leichten Isotope zurück zum Methan geschleust werden. Dementsprechend können die Methanoxidierer für die Anreicherung der leichten Isotope im Methan an Sulfat-Methan-Übergangszonen verantwortlich sein. 

 

Bild: Mikrobielle Konsortien aus anaeroben methanoxidierenden Archaeen (rot) und ihre sulfatreduzierenden Partnerbakterien (grün). Die weiße Maßstabsleiste markiert eine Länge von 10 µm ©V. Krukenberg, Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie