Kupferverfügbarkeit, Methanobaktinproduktion und Methanoxidation in Schweizer Seen

Methan (CH4) ist ein Treibhausgas mit einem höheren potentiellen Einfluss auf die Erderwärmung (pro Mol) als CO2. Große Mengen an Methan entstehen in natürlichen Feuchtgebieten und Seen. Die Freisetzung dieses Methans in die Atmosphäre wird wesentlich durch Methanoxidation verringert. Die vielfältigen Faktoren die die aerobe Methanoxidation steuern sind noch Gegenstand aktueller Forschung. Wir beantrage ein internationales und interdisziplinäres Forschungsprojekt zwischen den Universitäten Basel und Wien. Darin werden Spurenmetallgeochemie, Isotopengeochemie, Biomarker und molekularbiologische Methoden auf Feld- und experimentelle Untersuchungen angewendet um den Einfluss der Kupferverfügbarkeit auf die Bakterielle Methanoxidation zu verstehen. Hierbei steht der Mechanismus der Kupferakquisition durch Methanobactine (MB) im Zentrum des Interesses. MB können von methanotrophen Bakterien ausgeschieden werden, um die biologische Verfügbarkeit des Kupfers zu erhöhen. Die Existenz eines solchen Mechanismus impliziert, dass effiziente Kupferaufnahme einen wichtigen Einfluss auf die Diversität und Aktivität von methanotrophen Bakterien haben kann. In dem Projekt werden wir erstmals die Verteilung und Dynamik des Methanobactins in zwei Schweizer Seen untersuchen. Wir erwarten neue Erkenntnisse Über die wesentlichen Faktoren, die die Methanobactinproduktion und die Methanoxidation in suboxischen lakustrinen Redoxgradienten bestimmen Wir erwarten, dass reduzierte Schwefelverbindungen in diesen Environments die Cu- Speziierung modulieren. Daher werden wir (1) den Einfluss des Sulfidschwefels auf die Kupferverfügbarkeit, (2) den Einfluss von MB auf die Kinetik und Thermodynamik der Cu- Sulfid Auflösung und (3) den Einfluss dieser Prozesse auf Methanoxidationsraten in Seen untersuchen. Im Rahmen von zwei Doktoratsprojekten wollen wir die folgenden Forschungsfragen bearbeiten: Wird die aerobe Methanoxidation durch die biologische Kupferverfügbarkeit in Seen beeinflusst oder limitiert? KanndieAusscheidung vonMethanobactinen die Limitierung der Kupferverfügbarkeit aufheben? Können wir aktive Methanobactinproduktion in Seen nachweisen und gibt es Zusammenhänge zwischen methanoxidationsraten und den Konzentrationen von Methanobactin bzw. Sulfidschwefel in Seen? Wie beeinflussen Cu / Sulfid-Interaktionen die Kupferspeziierung und die biologische Verfügbarkeit des Kupfers für methanotrophe Bakterien? Können Änderungen der Kupferverfügbarkeit die mikrobielle Ökologie lakustriner Methanotrophen beeinflussen? Wir werden diese Fragestellungen in einer Serie von Laborexperimenten und Felduntersuchungen in den Redoxübergangszonen zweier Schweizer Seen (Luganer See und LagoCadagno).Wirwerden Zusammenhänge zwischenKupferverfügbarkeit, Kupferspeziierung, Sulfidkonzentrationen, MB Konzentrationen, Methanoxidationsraten und mikrobieller Ökologie untersuchen, die geochemischen Mechanismen bakterieller Kupferakquisition aufklären und die Biogeochemie mit den limnologischen Beobachtungen in Zusammenhang bringen. Die Ergebnisse der beantragten Studie werden von Bedeutung für das Verständnis terrestrischer und mariner Gewässer sein. Darüber kann die Effizienz der Kupferakquisition methanotropher Bakterien einen wichtigen Einfluss auf den Kohlenstoffkreislauf und möglicherweise auf das globale Klima haben. Diese Studie könnte darüber hinaus einen Ausgangspunkt für die Untersuchung der Kupferakquisition als evolutionäre Antwort auf die Kompetition anaerober und aerober Methanoxidation in der Erdgeschichte und in rezenten Environments darstellen.

Zusammenfassung des Projektes In diesem Projekt wurde die Frage untersucht, ob der spezifische Kupferaufnahmemechanismus methanotropher Bakterien eine Kupferlimitierung der Methanoxidation durch Sulfidschwefel entgegenwirken kann. Methan ist ein potentes Treibhausgas. Daher sind die Faktoren, die seine Genese und Zerstörung durch mikrobielle Prozesse beeinflussen von großer Bedeutung für das Verständnis von Kohlenstoffkreisläufen und damit verbundenen Klimaänderungen. Ein wichtiger Prozess in diesem Zusammenhang ist die Methanoxidation durch methanotrophe Bakterien. Die Geschwindigkeit dieses Prozesses hängt von der Verfügbarkeit von Kupfer als Spurennährstoff ab. Kupfer ist ein Kofaktor des kupferhaltigen Enzyms 'particulate monomethaneoxygenase', dass die Oxidation von Methan durch Sauerstoff katalysiert. Die besondere Rolle des Kupfers für methanotrophe Bakterien wird dadurch unterstrichen, dass viele dieser Organismen einen besonderen Kupferaufnahmemechanismus besitzt. Hier wird der kupferspezifische ligand methanobactin (mb) ausgeschieden, der eine ungewöhnlich hohe Affinität und Spezifität für Kupfer besitzt. Dieser ungewöhnliche Mechanismus weist darauf hin, dass die biologische Kupferverfügbarkeit in natürlichen Systemen niedrig sein kann. Tatsächlich beobachtet man methanotrophe Aktivität typischerweise nahe an oxisch-anoxischen Grenzflächen, an denen die Bildung von Cu-sulphiden mit geringer Löslichkeit die biologische Kupferverfügbarkeit stark erniedrigen kann. Dieses Projekt hat die Frage beantwortet, ob methanotrophe Bakterien mit Hilfe des Methanobactins die Mobilisierung von Kupfer aus Kupfersulfidphasen katalysieren kann und somit einer Kupferlimitierung der Methanoxidation entgegenwirkt. Wir haben uns insbesonders mit der geochemischen Fragestellung auseinandergesetzt, ob und wie Methanobaktin an der Mineral-Wassergrenzfläche chemisch reagiert und zwar unter strikt reduzierenden Bedingungen oder in Gegenwart niedriger Sauerstoffkonzentrationen, die im Lebensraum methanotropher Bakterien zu erwarten sind. Wir konnten deutlich zeigen, dass die Reaktion zwischen Kupfersulfidphasen und Methanobaktin zur effizienten Mobilisierung von Kupfer führt. Es wurde demonstriert, dass die Effizienz der Mobilisierung pH-abhängig ist und von der Mineralogie der Kupfersulfidphasen abhängt. Die Kupfermobilisierung durch mb war am effizientesten in Gegenwart thermodynamisch stabiler Kupfersulfid-Nanopartikeln, wie sie in sulfidischen Wassersäulen und in Sedimenten erwartbar sind. Weiters wurde dieser biologisch katalysierte Auflösungsprozess mit der langsamen Oxidation von Kupfersulfidphasen durch die typischen niedrigen Sauerstoffkonzentrationen in der Zone der methanotrophen Bakterien verglichen. Wir konnten zeigen, dass die Auflösungsgeschwindikeit durch mb auch bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen stark beschleunigt wurde. Schließlich konnten wir demonstrieren, dass mb katalysierte Mobilisierung von Kupfer auch in sulfidischen Sedimenten abläuft In diesem Projekt konnte somit die wichtige Rolle der methanotrophen Kupferakquisition in sulfidischen Systemen für die Methanoxidation aufzeigen. Wir folgern daraus, dass die Bildung von Kupfersulfidphasen einen geringen Einfluss auf die Methanoxidation durch methanotrophe Bakterien hat.