CO-Stoffwechsel in anaeroben methanotrophen Archaeen aus Süßwasser

Warum vergrabene Mikroben für unser Klima wichtig sind

Tief im wassergesättigten Schlamm zerstören winzige Mikroben stillschweigend einen Großteil des Methans, das sonst in die Luft entweichen und unseren Planeten erwärmen würde. Diese Studie zeigt, dass einige dieser methanfressenden Mikroben tatsächlich ein anderes Gas vorziehen — Kohlenmonoxid — und dass dieser unerwartete Appetit beeinflussen kann, wie Kohlenstoff durch schlammige Seen- und Flussböden wandert. Das Verständnis dieser verborgenen Chemie hilft Wissenschaftlern, Klimamodelle zu verfeinern und neu zu beurteilen, wie Feuchtgebiete und Sedimente als natürliche Filter für Treibhausgase wirken.

Die geheimen Torwächter des Methans

Methan ist ein starkes Treibhausgas und verantwortlich für etwa ein Fünftel der globalen Erwärmung, obwohl es in der Atmosphäre nur in Spuren vorkommt. In sauerstoffarmen Schlämmen am Grund von Seen, Flüssen und Feuchtgebieten verzehren spezialisierte Archaeen — Mikroben, die sich von Bakterien unterscheiden — Methan, bevor es die Luft erreicht. Diese anaeroben methanotrophen Archaeen bilden einen bedeutenden biologischen „Methanfilter“. Eine Gruppe, die Methanoperedenaceae genannt wird, ist besonders vielseitig: Sie kann die Methanoxidation mit verschiedenen gelösten Chemikalien als Elektronenakzeptoren koppeln, etwa Nitrat und Metallionen. Dennoch ist bislang überraschend wenig darüber bekannt, ob diese Mikroben auch andere Brennstoffe als Methan nutzen können und wie solche Alternativen die Effizienz des Methanfilters stärken oder schwächen könnten.

Ein Mikroorganismus, der einen anderen Brennstoff bevorzugt

Die Forscher konzentrierten sich auf einen Süßwasserarchaeon, bekannt als „Candidatus Methanoperedens BLZ2“, der nun vorgeschlagen wird in „Ca. Methanoperedens carboxydivorans“ umbenannt zu werden, um seine Vorliebe für Kohlenmonoxid widerzuspiegeln. In sorgfältig kontrollierten Flaschenexperimenten versorgten sie den mikrobenreichen Schlamm mit entweder Methan, Kohlenmonoxid oder einer Mischung aus beiden und verfolgten den Gasverbrauch sowie die Produktbildung. Unter Bedingungen mit reichlich Nitrat oxidierte die Kultur Kohlenmonoxid deutlich schneller als Methan, und wenn beide Gase vorhanden waren, unterdrückte Kohlenmonoxid nahezu vollständig den Methanverbrauch. Wurde Nitrat entfernt, konsumierten die Mikroben weiterhin rasch Kohlenmonoxid, wandelten es jetzt jedoch hauptsächlich in Methan, Acetat und Formiat um — Verbindungen, die im Sediment verbleiben, anstatt direkt in die Luft zu entweichen.

Verborgene genetische Werkzeuge zur Gasumwandlung

Um zu verstehen, wie ein einzelnes Organismus so unterschiedliche Aufgaben bewältigen kann, rekonstruierten die Forscher das Genom von Ca. Methanoperedens carboxydivorans und schlossen es vollständig zirkulär ab. Sie fanden ein ungewöhnlich reichhaltiges Toolkit für den Umgang mit Kohlenmonoxid: sechs Gene für nickelbasierte Kohlenmonoxid-Dehydrogenase-Enzyme auf dem Hauptchromosom sowie zwei weitere auf einem separaten zirkulären DNA-Abschnitt, bekannt als mobiles genetisches Element. Diese Enzyme stehen im Zentrum einer alten Kohlenstoffverarbeitungsroute, die sowohl in Richtung Aufbau von Zellmaterial als auch in Richtung Bildung von Produkten wie Acetat laufen kann. Das mobile Element trägt außerdem zusätzliche Module für Nitrat- und Nitritreduktion sowie für den Umgang mit Formiat und anderen Redoxreaktionen, was darauf hindeutet, dass Stoffwechselkomponenten zwischen verwandten Mikroben ausgetauscht werden können und so deren Fähigkeit stärken, mit wechselnden Bedingungen im Schlamm zurechtzukommen.

Wie redoxbasierte „Verkehrsregelung“ das Ergebnis bestimmt

Indem sie untersuchten, welche Gene bei verschiedenen Gasmischungen aktiviert wurden, setzten die Forscher eine Karte davon zusammen, wie das Mikrobeninnere seine Elektronenströme umlenkt. Mit vorhandenem Nitrat lenkt die Zelle Elektronen aus Kohlenmonoxid in die Atmung, betreibt energieerhaltende Wege und hinterlässt kaum Nebenprodukte. Ohne Nitrat müssen diese Elektronen anderweitig abgeführt werden. Die Mikroben stützen sich dann auf fermentative Prozesse: Sie nutzen Kohlenmonoxid, um reduzierte Träger zu erzeugen, und entladen diese Überschussenergie, indem sie Acetat, Methan und Formiat produzieren. Dieses Verhalten zeigt, dass ein normalerweise als Methanvernichter bekanntes Mikrobenorganismus je nach chemischer Umgebung auch wie klassische Methanproduzenten und Acetatbildner agieren kann.

Neubewertung natürlicher Methanfilter

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Süßwasser-methanoxidierende Archaeen keine strikten Methanspezialisten sind. Stattdessen sind sie flexible Kohlenstoffumwandler, die zwischen Methanverbrauch und Kohlenmonoxidoxidation wechseln können und mitunter sogar selbst Methan produzieren. Da Gene für Kohlenmonoxidumwandlung unter verwandten Mikroben weit verbreitet sind, kann Kohlenmonoxid — das in Umweltuntersuchungen oft übersehen wird — diese Gemeinschaften häufig von der Methanoxidation wegdrängen. Das bedeutet, dass die Wirksamkeit des natürlichen Methanfilters in Sedimenten je nach feinen Veränderungen der Kohlenmonoxidkonzentration zunehmen oder abnehmen könnte und damit unsere Sicht darauf verändert, wie Treibhausgase in den verborgenen, sauerstofffreien Bereichen der Erde kontrolliert werden.

Zitation: Egas, R.A., Lin, H., Leu, A.O. et al. Carbon monoxide metabolism in freshwater anaerobic methanotrophic archaea. Nat Commun 17, 3460 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70080-4

Schlüsselwörter: Methankreislauf, Kohlenmonoxid, Feuchtgebiets-Sedimente, Archaeen, Treibhausgase