Hauptproduzenten für Methan im Reisfeldboden entdeckt

Marburger Max-Planck-Forscher identifizieren Mikroorganismen, deren Methanausstoß das globale Klima beeinflusst

Für etwa 10 bis 25 Prozent der weltweiten Methan-Emissionen sind Mikroorganismen in den Böden gefluteter Reisfelder verantwortlich. Der Kohlenstoff für das Methan stammt hauptsächlich aus Wurzeln und Pflanzenresten. Doch bisher war wenig über jene Mikroorganismen bekannt, die an dem Kohlenstoff-Kreislauf im Reisfeldboden beteiligt sind. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie in Marburg haben jetzt eine spezielle Gruppe von Archaea-Bakterien als Hauptlieferanten des Methans aus Reisfeldern identifiziert. Der Stoffwechsel dieser Bakterien-Gruppe ist offenbar von globaler Bedeutung für das Klima auf der Erde (Science, 12. August 2005).

Methan ist nach Kohlendioxid das zweitwichtigste Treibhausgas. Seine Konzentration in der Atmosphäre nimmt aufgrund menschlicher Aktivitäten immer weiter zu. Neben natürlichen Feuchtgebieten sind vor allem geflutete Reisfelder wichtige Quellen, die bis zu einem Viertel des Methanhaushalts in der Atmosphäre liefern. Dieses Methan wird in den gefluteten Böden von einer komplexen Gemeinschaft von Mikroorganismen gebildet, die gemeinsam organisches Material abbauen. Am Ende dieses komplexen Abbauprozesses stehen die so genannten methanogenen Archaea („Archaebakterien“). Diese bilden Methan, indem sie entweder Acetat zu Methan und Kohlendioxid spalten oder Kohlendioxid mit Wasserstoff zu Methan reduzieren. Aus beiden Prozessen beziehen die Archaea ihre Lebensenergie. Acetat und Wasserstoff stammen aus dem Abbau von organischem Material, der von bakteriellen Gärungsorganismen geleistet wird.

Einen großen Teil des organischen Materials im Boden machen Wurzeln aus. Etwa 30-60 Prozent der Netto-Photosynthese der Pflanzen gelangt in die Wurzeln, und davon werden etwa 40-90 Prozent in den Boden ausgeschieden bzw. gelangen als abgestorbene Wurzeln dorthin. In den Reisfeldern sind die im Wurzelbereich lebenden Mikroorganismen von entscheidender Bedeutung für die Emission von Methan. Japanische Forscher hatten bereits gezeigt, dass in Reisfeldern bis zu 50 Prozent des emittierten Methans aus der Photosynthese der Reispflanzen stammt. Frühere Arbeiten der Marburger Forscher zeigen, dass das aus Wurzeln von Reispflanzen gebildetes Methan überwiegend durch die Reduktion von Kohlendioxid (mit Wassertoff) entsteht und dass im Wurzelbereich verschiedene Arten methanogener Archaea vorkommen. Doch welche dieser Bakterien für die Methanbildung verantwortlich sind, war bisher nicht bekannt.

Um dies herauszufinden, haben die Max-Planck-Forscher Töpfe mit geflutetem Reisfeldboden im Gewächshaus mit 13C-markierten Kohlendioxid begast, so dass die Photosyntheseprodukte der Reispflanzen ebenfalls mit dem schweren 13C-Kohlenstoffisotop markiert wurden. Wie erwartet bildete sich aus diesen schweren Photosyntheseprodukten schweres Methan, das in die Atmosphäre entweicht. Mindestens 15 Prozent dieses Methans stammte aus der Photosynthese.

Doch nicht nur das Methan sondern auch die methanbildenden Archaea wurden durch die Photosyntheseprodukte mit schwerem Kohlenstoff markiert. Dies konnten die Wissenschaftler durch die Analyse einer für die Taxonomie charakteristischen Verbindung, der ribosomalen RNA, feststellen. Hierzu haben sie die ribosomale RNA aller Bodenmikroorganismen dem durchwurzelten Boden entnommen und alle Anteile, die mit schwerem Kohlenstoff markiert waren, mittels Dichtegradienten-Zentrifugation abgetrennt. Die auf diese Weise abgetrennte schwere ribosomale RNA konnte danach molekular charakterisiert werden – durch Analyse des terminalen Restriktionslängen-Polymorphismus und durch Klonierung und Sequenzierung der ribosomalen RNA.

Dabei zeigte sich, dass nur eine bestimmte Gruppe von Archaea mit dem schweren Kohlenstoff markiert war, nämlich die so genannten Rice-Cluster-I (RC-I)-Archaea. Demnach haben diese Archaea den über die Pflanzen in Form von 13CO2 applizierten schweren Kohlenstoff eingebaut. Die RC-I-Archaea sind eine Gruppe von bislang nicht isolierten methanogenen Archaea. Interesanterweise ist es gerade diese Gruppe, die offensichtlich als Hauptproduzent von Methan in Reisfeldern fungiert.

Andere, wesentlich besser beschriebene methanogene Gruppen, wie die Methanosarcinen oder Methanobakterien, kommen zwar ebenfalls im durchwurzelten Reisfeldboden vor, sind jedoch, wie die Versuche jetzt gezeigt haben, nicht nennenswert an der Umsetzung von Photosyntheseprodukten beteiligt. Die Forscher nehmen an, dass sie stattdessen an der Umsetzung von Stroh mitwirken, das erst nach dem Umpflügen in den Reisfeldboden gelangt und dort letztendlich auch zu Methan abgebaut wird.

Von den bislang nicht isolierten und somit physiologisch wenig charakterisierten RC-I Archaea existiert zur Zeit lediglich eine Anreicherungskultur. Die Marburger Wissenschaftler sind jetzt dabei, das Genom dieser angereicherten RC-I-Archaea zu sequenzieren. Sie wollen dadurch einen besseren Einblick in die Fähigkeiten dieser für die Methanemission aus Reisfeldern wichtigen Mikrobengruppe erhalten.

Das Projekt wurde durch die Max-Planck-Gesellschaft sowie die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützt.

Originalveröffentlichung: Yahai Lu and Ralf Conrad
In Situ Stable Isotope Probing of Methanogenic Archaea in the Rice Rhizosphere
Science, 12 August 2005