Einflüsse auf die Kohlenstoffisotopenfraktionierung in methanogenen Systemen

In unserer Atmosphäre stellt Methan eines der klimarelevantesten Treibhausgase dar. Es entsteht als Endprodukt des Abbaus von organischem Material in vielen anoxischen Habitaten. Innerhalb von Reisfeldböden und Feuchtgebieten wird Methan größtenteils durch acetoklastische und hydrogenotrophe methano...

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Main Author: Penger, Jörn Sebastian
Contributors: Conrad, Ralf (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2012
Biologie
Subjects:
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Description
Summary:In unserer Atmosphäre stellt Methan eines der klimarelevantesten Treibhausgase dar. Es entsteht als Endprodukt des Abbaus von organischem Material in vielen anoxischen Habitaten. Innerhalb von Reisfeldböden und Feuchtgebieten wird Methan größtenteils durch acetoklastische und hydrogenotrophe methanogene Archaeen gebildet. Einige dieser Methanogenen können allerdings auch C1-Verbindungen wie Methanol als Substrat nutzen. Über die an der Methanproduktion beteiligten Stoffwechselwege kann die Kohlenstoffisotopensignatur der Substrate und des freigesetzten Methans Aufschluss geben. Für eine Quantifizierung müssen allerdings die Fraktionierungskoeffizienten der beteiligten mikrobiellen Gruppen bekannt sein. In der Vergangenheit wurden die meisten Daten für hydrogenotrophe und acetoklastische Reinkulturen erhoben. Der Informationsstand bezüglich der Methanogenese auf Methanol war hingegen sehr gering. Da Bodenproben meist in geschlossen Systemen inkubiert werden, sollte zusätzlich überprüft werden, ob sich die zuvor für hydrogenotrophe und methylotrophe Reinkulturen innerhalb offener Systeme erhaltenen Daten auf geschlossene Systeme übertragen lassen. Bei der Umwandlung von Methanol zu Methan konnten in Methanosarcina acetivorans, Methanosarcina barkeri und Methanolobus zinderi ähnlich starke Fraktionierungskoeffizienten ( 83‰ bis 72‰) beobachtet werden wie sie zuvor für das offene System ( 83‰ bis 79‰) beschrieben wurden. Für die untersuchten hydrogenotrophen Methanogenen, Methanothermobacter marburgensis und Methanothermobacter thermautotrophicus, konnte bei der Umsetzung von H2/CO2 zu Methan sowohl in carbonathaltigem als auch in carbonatfreien Medium ebenfalls eine Übereinstimmung der Fraktionierungskoeffizienten ( 38‰ bis 31‰) mit den bisher nur in offenen Systemen ( 60‰ bis 28‰) beschriebenen Daten erhalten werden. Für den ebenfalls H2/CO2 als Substrat verwendenden Homoacetogenen Thermoanaerobacter kivui wurden im geschlossenen System etwas niedrigere Fraktionierungskoeffizienten ( 44‰ bis 41‰) festgestellt als für die hier untersuchten, hydrogenotrophen Methanogenen. Eine Veränderung der Inkubationstemperatur zeigte bei den fünf untersuchten Methanogenen sowie bei dem untersuchten homoacetogenen Mikroorganismus auch in unterschiedlichen Puffersystemen keinen Einfluss auf die Kohlenstoffisotopensignatur. In Folge dessen konnte auch keine Abhängigkeit des Fraktionierungskoeffizienten zur Inkubationstemperatur beobachtet werden. Weiterhin konnte bei der hydrogenotrophen Methanogenese in M. marburgensis eine große Stabilität des Fraktionierungskoeffizienten gegenüber dem pH-Wert des Mediums festgestellt werden. Somit können bei einer Quantifizierung der an der Methanproduktion beteiligten Stoffwechselwege in Bodenproben diese Faktoren weitestgehend vernachlässigt werden. Durch die Verwendung selektiver Inhibitoren können zusätzliche Informationen zur Quantifizierung der an der Methanproduktion beteiligten Stoffwechselwege erhalten werden. Es wurde bisher angenommen, dass durch die Zugabe von Methylfluorid als Inhibitor der acetoklastischen Methanogenese lediglich die Kohlenstoffisotopensignatur des durch hydrogenotrophe Methanogenese erzeugten Methans erhalten wird. Da aber die Zugabe von Methylfluorid den Fraktionierungskoeffizienten der methylotrophen Methanogenese nicht beeinflusste, kann in Gegenwart von Methylfluorid produziertes „leichtes“ Methan aufgrund der starken Fraktionierung auch durch methylotrophe und nicht nur durch hydrogenotrophe Methanogenese erzeugt werden.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2012.0941