Fraktionierung stabiler Isotope durch anaerobe Bodenmikroorganismen

Methan ist ein Endprodukt des anaeroben Abbaus organischen Materials und ein klimarelevantes Treibhausgas. Über die Kohlenstoffisotopensignatur atmosphärischen Methans kann der Anteil der unterschiedlichen Methanquellen bestimmt werden. Die bedeutendste Quelle sind terrestrische Systeme wie Sümpfe u...

Ausführliche Beschreibung

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Penning, Holger
Beteiligte: Conrad, Ralf (Prof.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2005
Biologie
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Beschreibung
Zusammenfassung:Methan ist ein Endprodukt des anaeroben Abbaus organischen Materials und ein klimarelevantes Treibhausgas. Über die Kohlenstoffisotopensignatur atmosphärischen Methans kann der Anteil der unterschiedlichen Methanquellen bestimmt werden. Die bedeutendste Quelle sind terrestrische Systeme wie Sümpfe und Reisfelder, in denen Methan fast ausschließlich aus CO2 und Acetat gebildet wird. Die Methanbildungswege unterscheiden sich in ihrer Isotopenfraktionierung, so dass für ein anoxisches System der Anteil des hydrogenotroph und acetoklastisch gebildeten Methans über dessen Isotopenverteilung bestimmt werden kann. In dieser Arbeit wurden Isotopenfraktionierungsfaktoren (a), die für die Modellierung der relativen Anteile der Methanbildungswege benötigt werden, bestimmt. Die Isotopensignatur von Acetat (dac) und der Fraktionierungsfaktor der hydrogenotrophen Methanogenese (aCO2/CH4) sind Parameter, die für eine solche Modellierung benötigt werden. Sie können experimentell über Hemmung der acetoklastischen Methanogenese mit dem Hemmstoff Methylfluorid (CH3F) erhalten werden. Hier wurde überprüft, ob CH3F auch unspezifisch andere Prozesse und archaeelle Gruppen hemmt. Im Reiswurzel-Modellsystem wurde mittels geochemischer und molekularbiologischer Methoden gezeigt, dass nur der Zielprozess, die acetoklastische Methanogenese, und die entsprechenden Zielorganismen, die Familie der Methanosarcinaceae, direkt gehemmt wurden. Damit eignen sich Inkubationen mit CH3F zur Bestimmung von dac und aCO2/CH4. Acetat wird zum überwiegenden Teil bei der Fermentation produziert. Daher kann dac über Isotopenfraktionierungsfaktoren der Fermentation errechnet werden. Für Clostridium papyrosolvens wurde in dieser Arbeit das Fraktionierungsverhalten für die Bildung von Acetat, Ethanol, Lactat, Formiat und CO2 aufgeklärt. Im linearen Teil des Stoffwechselweges vom Saccharid zum Intermediat Pyruvat wurde in löslichen Sacchariden 12C bevorzugt, während dagegen beim Polysaccharid Cellulose keine Fraktionierung auftrat. Die Verzweigungspunkte Pyruvat und Acetyl-CoA wiesen charakteristische Fraktionierungsmuster auf und ermöglichten die Isotopensignatur der Produkte vorauszusagen. Da in Umweltsystemen Polysaccharide das hauptsächliche Substrat der Fermentation sind, und somit keine Fraktionierung bis zum Pyruvat auftritt, können die stabilen Isotopensignaturen der Produkte allein über die Isotopensignatur des organisches Materials und den Kohlenstofffluss der Fermentation vorausgesagt werden. Die Isotopenfraktionierung während der hydrogenotrophen Methanogenese ist ebenfalls ein notwendiger Parameter, der allerdings stark variiert. Die dahinterliegenden Steuerungsfaktoren waren bisher nicht bekannt und wurden daher in dieser Arbeit in Rein- und Kokulturen hydrogenotropher Archaea der Familien Methanomicrobiaceae und Methanobacteriaceae untersucht. Die Isotopenfraktionierung korrelierte mit der Änderung der Gibbs freien Energie (DG) der Methanbildung aus H2 und CO2. In Böden und Sedimenten, in denen DG auf Grund von H2-Gradienten nicht korrekt über Gasmessungen ermittelt werden kann, ermöglichte die gefundene aCO2/CH4-DG-Korrelation eine unbeeinflusste Bestimmung von DG der hydrogenotrophen Methanogenese. Es zeigte sich, dass den hydrogenotrophen Methanogenen in H2-Gradienten-beeinflussten Umweltsystemen deutlich mehr freie Energie zur Verfügung steht als bisher angenommen. Im Reiswurzel-Modellsystem wurden die ermittelten Parameter zur Quantifizierung der relativen Anteile der Methanbildungswege verwendet. Die berechneten Werte stimmten mit anderen geochemischen Daten überein und bestätigten, dass eine solche Bestimmung allein über die Kohlenstoffisotopensignaturen möglich ist. Insgesamt vertiefte diese Arbeit das Verständnis des 13C/12C-Isotopenflusses in Einzelprozessen und im gesamten Netzwerk des anaeroben Abbaus organischen Materials und vereinfachte damit die Modellierung des Kohlenstoffflusses in diesem System.