Chemie ist, wenn es stinkt und knallt. Es knallt allerdings nur, wenn bei der Reaktion viel Energie frei wird. Liefert die Reaktion hingegen sehr wenig Energie, kracht es nicht. Forscher sprechen dann davon, dass die Reaktion nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht abläuft. Aus dem Chemieunterricht wissen wir, dass chemische Reaktionen in beide Richtungen ablaufen können. Bei Reaktionen, bei denen besonders wenig Energie freigesetzt wird, wird nicht bloß der Ausgangsstoff in Endprodukt umgesetzt, sondern gleichzeitig durch den Rückfluss von Endprodukt wieder der Ausgangsstoff gebildet. Dies ist zum Beispiel der Fall bei manchen Mikroben, die unter Sauerstoffausschluss leben. Deren Stoffwechselchemie liefert oft so wenig Energie, dass ein Rückfluss eintritt und ein Teil der Stoffwechselprodukte wieder zu den Ausgangsstoffen umgewandelt wird. Dieses Reaktionsgleichgewicht kann man sich wie eine Rutsche vorstellen, die so flach ist, dass man kaum noch rutschen, aber ohne Schwierigkeiten die Rutsche wieder hinauflaufen kann.

Forscher vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie haben jetzt zum ersten Mal die Stoffrückflüsse während der Anaeroben Methanoxidation (AOM) untersucht und quantifiziert. Die Oxidation von Methan mit Sulfat anstelle von Sauerstoff ist die Lebensgrundlage von mikrobiellen Konsortien aus speziellen Bakterien und Archaeen (Abildung 1), wobei die genauen Stoffwechselwege und die Art des Zusammenlebens von Archaeen und Bakterien noch ungenügend ergründet ist. Der mikrobielle Stoffwechselweg der AOM eignet sich besonders gut, um durch Rückreaktionen verursachten Rückfluss vom Produkt zum Ausgangsstoff zu studieren, denn die Mikroorganismen erzielen eine extrem geringe Energieausbeute.

Abbildung 1:
Anreicherungskultur der AOM-Organismen, in denen die Max-Planck-Forscher die Rückflüsse gemessen haben. Das Sediment mit der Kultur wurde in einer Laborflasche mit sauerstofffreier Gasatmosphäre inkubiert.

Für die Experiment markierten die Wissenschaftler Hydrogenkarbonat und Sulfid, die Endprodukte der AOM , mit radioaktiven Isotopen von Schwefel und Kohlenstoff. Die Markierung fanden sie in den Ausgangsstoffen Methan und Sulfat wieder.
Max-Planck-Forscher Thomas Holler erklärt: “Die AOM-Konsortien ziehen so wenig Energie aus ihren Stoffumsätzen, dass sie nahe am thermodynamischen Gleichgewicht leben. Wir haben herausgefunden, dass ein Anteil des gebildeten Sulfids und Kohlendioxids gleich wieder zurückgewandelt wird.“ Und zwar eine nicht unbeachtliche Menge: 13 % des Sulfids und 5% des Hydrogenkarbonats enden wieder als Sulfat und Methan. Sein Kollege Gunter Wegener fügt hinzu: „Aus den Rückreaktionen können die Organismen hingegen keine Energie ziehen, um ihre Energieausbeute aufzubessern.“

Die Beobachtung der Forscher stellt die gängige Methode, mit der Wissenschaftler mikrobielle Stoffwechselraten bestimmen, in Frage: Ein markiertes Substrat wird zugesetzt und nach einer festgelegten Zeitspanne gemessen, wie viel der Markierung im Produkt zu finden ist. Daraus berechnen die Wissenschaftler die Umsatzrate. Nach der Erkenntnis von Thomas Holler und seinen Kollegen entspricht aber die so berechnete Rate nicht dem chemischen Umsatz der Mikroorganismen, aus dem sie Energie ziehen können. Die tatsächliche Stoffwechselrate wird überschätzt, weil die Methode auch die energetisch bedeutungslosen Stoffflüsse zwischen Ausgangsstoff- und Produktpool berücksichtigt (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2:
Schema der Stoffflüsse während der anaeroben Methanoxidation mit Sulfat. Die Energieausbeute der AOM , -20 bis -40 kJ pro Mol, ist eine der geringsten, die für Mikroben aus natülichen Lebensräumen bekannt ist.
Untere Darstellung: Die grauen Pfeile geben die Richtung der Stoffflüsse an. Die Netto-Reaktion (schwarzer Pfeil) berechnet sich aus der Hin- abzüglich der Rückreaktion. Die Reaktionsrate der AOM (v) ist aus den Hin- und Rückflüssen zusammengesetzt (f+C/f-C für Kohlenstoff, f+S/f-S für Schwefel), wobei die gängige Methode, die Reaktionsrate der AOM (v) zu bestimmen, nur die Hinflüsse berücksichtigt. Dadurch wird die Reaktionsrate überschätzt.

Die AOM-Organismen sind nicht die einzigen, die nahe am thermodynamischen Gleichgewicht leben. Vor etwa 20 Jahren wurden zum ersten Mal mikrobielle Zellen in mehreren 1000 Metern Tiefe im Meeresboden gefunden. Seitdem vermuten die Forscher, dass der größte Teil der Mikroben in dieser sogenannten tiefen Biosphäre lebt und einen Stoffwechsel betreibt, der am unterem Energielimit abläuft. Die Entdeckung von Thomas Holler und seinen Kollegen könnte helfen, ihre Stoffwechselraten besser einzuschätzen und dadurch ihre Rolle für die globalen Stoffkreisläufen zu beurteilen.

Rita Dunker

Rückfragen an
Dr. Thomas Holler
Dr. Gunter Wegener
Dr. Ben Brunner
Prof. Dr. Friedrich Widdel

Oder an die Pressesprecher
Dr. Rita Dunker
Dr. Manfred Schlösser

Originalarbeit
Carbon and sulfur back flux during anaerobic microbial oxidation of methane and coupled sulfate reduction, 2011. T. Holler, G. Wegener, H. Niemann, C. Deusner, T. G. Ferdelman, A. Boetius, B. Brunner, and F. Widdel. Proceedings of the National Academy of Science, vol, 108 no. 52 pp E1484-E1490.

DOI: 10.1073/pnas.1106032108

Beteiligte Institute
Max-Planck-Institut für Marine Mikrobologie, Bremen

Institut für Umweltgeowissenschaften, Universität Basel, Basel, Schweiz

Alfred Wegener-Institut für Polar- und Meereswissenschaften, Bremerhaven