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Mikrobiologie: Unterirdische Gaslieferanten

Reis gehört zu den Hauptnahrungsmitteln der Menschheit, doch fatalerweise trägt sein Anbau zur Klimaerwärmung bei: Aus den Böden gefluteter Reisfelder entweicht Methan. Jetzt konnten Wissenschaftler die Gruppe der hier lebenden Mikroorganismen aufspüren, die das Treibhausgas produzieren.
Methan ist nach Kohlendioxid das zweitwichtigste Treibhausgas. Seine Konzentration in der Atmosphäre nimmt auf Grund menschlicher Aktivitäten immer weiter zu. Neben natürlichen Feuchtgebieten sind vor allem geflutete Reisfelder wichtige Quellen, die bis zu einem Viertel des Methangehalts 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, früher auch "Archaebakterien" genannt. 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.

Philippinische Reisfelder | Batad, ein kleines Dorf inmitten von Reisfeldern, liegt im Norden von Luzon auf den Philippinen. Diese Gegend ist bekannt für ihre kunstvollen Reisterrassen und wird von vielen Touristen besucht.
In Reisfeldern sind die im Wurzelbereich lebenden Mikroorganismen von entscheidender Bedeutung für die Emission von Methan. Wissenschaftler wussten bereits, dass hier verschiedene Arten methanogener Archaea vorkommen, doch welche dieser Bakterien für die Methanbildung verantwortlich sind, war bisher nicht bekannt.

Um dies herauszufinden, haben Yahai Lu von der Agrarwissenschaftlichen Universität China in Peking und Ralf Conrad vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg Töpfe mit geflutetem Reisfeldboden im Gewächshaus mit 13C-markierten Kohlendioxid begast, sodass die Fotosyntheseprodukte der Reispflanzen ebenfalls mit dem schweren 13C-Kohlenstoffisotop markiert wurden. Wie erwartet bildete sich aus diesen schweren Fotosyntheseprodukten schweres Methan, das in die Atmosphäre entweicht. Mindestens 15 Prozent dieses Methans stammte aus der Fotosynthese.

Doch nicht nur das Methan sondern auch die methanbildenden Archaea wurden durch die Fotosyntheseprodukte mit schwerem Kohlenstoff markiert. Dies konnten die Wissenschaftler feststellen, indem sie den Gehalt einer arttypischen Substanz, der ribosomalen RNA, analysierten. 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 gewonnene schwere ribosomale RNA konnten sie danach molekular charakterisieren.

Dabei zeigte sich, dass nur eine bestimmte Gruppe von Archaea mit dem schweren Kohlenstoff markiert war, nämlich die so genannten RC-I-Archaea (Rice Cluster I). Demnach haben diese Archaea den über die Pflanzen in Form von 13CO2 angebotenen 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 Fotosyntheseprodukten 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.

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