Methanogenese

Unter Methanbildung (auch Methanogenese) versteht man die Bildung von Methan (CH₄) durch den Stoffwechsel von Lebewesen. Sie stellt die letzte Stufe des anaeroben Abbaus von Biomasse dar. Bisher sind nur Archaeen als methanbildende Lebewesen, Methanbildner bzw. Methanogene, bekannt. In der obligat anaerob ablaufenden Methanogenese wird entweder Essigsäure durch Essigsäure abbauende (acetoklastische) Methanbildner in Methan und Kohlenstoffdioxid (CO₂) umgewandelt. Alternativ wird auch Methan aus einfachen C1-Verbindungen wie Kohlenstoffdioxid, Ameisensäure, Methanol oder Methylamine erzeugt. Bakterielle Gärungsprodukte wie Milchsäure, Propionsäure oder Buttersäure können dagegen nicht als Substrate verwendet werden.

Übergeordnet
Anaerobe Atmung Biosynthese der Alkane Metabolismus des Methan
Untergeordnet
aus Acetat aus CO2 aus Methanol
Gene Ontology
QuickGO

Die Methanbildner nutzen die exergone (Energie freisetzende) Methanogenese als Energiequelle.

Vorkommen

→ siehe auch Methanbildner

Die Methanbildung kommt in der Natur ausschließlich in anaeroben Milieus vor, in denen ein Abbau von Biomasse stattfindet. Das können beispielsweise Sedimente von Seen und des Meeres, der Pansen von Rindern und der Darm von Termiten, aber auch des Menschen, sein. In diesen Habitaten herrschen moderate (mesophile) Temperaturen. Die Methanogenese tritt aber auch in Umgebungen (extrem) hoher aber auch niedrigen Temperaturen sowie hohen Salz- oder Säuregehaltes auf, beispielsweise in geothermalen Systemen.

Die Methanogenese wird von Archaeen betrieben, die alle zur Abteilung der Euryarchaeota zählen. Methanogene Archaeen finden sich in fünf Ordnungen: Methanopyrales, Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales und Methanosarcinales. Hierbei ist Methanopyrales der stammesgeschichtlich älteste, Methanosarcinales dagegen der phylogenetisch jüngste Zweig.

Methanopyrales, Methanobacteriales, Methanococcales zählt man zu den Klasse I-Methanogenen, Methanomicrobiales und Methanosarcinales sind Klasse II-Methanogene.

Chemische Reaktionen

Der anaerobe Abbau von Biomasse findet in den vier Schritten Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und Methanbildung statt. Die Produkte aus der Acido- und Acetogenese - im Wesentlichen Essigsäure, Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff - werden in der Methanogenese in Methan umgewandelt.

• Essigsäure abbauende (acetoklastische) Methanbildung:

$\mathrm {CH_{3}COOH\quad \rightarrow \quad CO_{2}+\ CH_{4}} \qquad \Delta G0'=-36\ {\frac {\mathrm {kJ} }{\mathrm {mol} }}$

• Methanbildung aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff:

$\mathrm {CO_{2}+4\ H_{2}\quad \rightarrow \quad CH_{4}+2\ H_{2}O} \qquad \Delta G0'=-131\ {\frac {\mathrm {kJ} }{\mathrm {mol} }}$

• Methanbildung aus Ameisensäure:

$\mathrm {4\ HCOOH\quad \rightarrow \quad CH_{4}+3\ CO_{2}+2\ H_{2}O} \qquad \Delta G0'=-106\ {\frac {\mathrm {kJ} }{\mathrm {mol} }}$

• Methanbildung aus Methanol:

$\mathrm {4\ CH_{3}OH\quad \rightarrow \quad 3\ CH_{4}+CO_{2}+2\ H_{2}O} \qquad \Delta G0'=-106\ {\frac {\mathrm {kJ} }{\mathrm {mol} }}$

Biochemische Reaktionen

Biochemischer Weg der archaeellen Methanogenese aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff H₂, gekoppelt mit ADP-Phosphorylierung. Abkürzungen: MF - Methanofuran, THM - Tetrahydromethanopterin, CoM - Coenzym M, CoB - Coenzym B, B12 - B12-Cofaktor, Ni - Hydrogenase mit Nickel-Cofaktor, Mo - Dehydrogenase mit Molybdän-Cofaktor, F420 und F430 - Elektronenüberträger Faktor 420 bzw. 430

Faulturm einer Kläranlage für die Methanbildung

Bei der Reduktion von Carboxygruppen (-COOH) zu Methan und von Kohlenstoffdioxid zu Methan spielen Enzyme mit charakteristischen Coenzymen eine Rolle. Diese kommen nur bei Methanbildnern vor. Insbesondere sind dies die Coenzyme Tetrahydromethanopterin, Coenzym M, Coenzym F₄₃₀ und F₄₂₀, sowie spezielle Elektronen- bzw. Wasserstoffüberträger.

Diese Umsetzungen sind exergon (Energie freisetzend), so dass die Methanbildung den Methanbildnern als Energiequelle dienen kann. Die Änderung der Freien Energie (ΔG⁰') unter Standardbedingungen, jedoch bei pH = 7, beträgt bei der Methanbildung aus Essigsäure − 36 kJ mol⁻¹ und bei der Methanbildung aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff − 131 kJ mol⁻¹. In der Natur treten oft deutliche Abweichungen von den Standardbedingungen auf (anderer pH-Wert, andere Temperatur, keine Standardkonzentration von Edukten und Produkten), wodurch sich die Energiebilanz der Methanogenese deutlich ändern kann.

Energiegewinnung

ATP-Synthese

Im Zuge der Methanogenese wird sowohl ein Protonen-, als auch ein Natriumionengradient erzeugt (Δµ_H⁺, Δµ_Na⁺), was gleichzeitig zu einer Energetisierung der Zellmembran führt. Dabei sind Methanogene die einzigen Organismen, die diese beiden Gradienten parallel aufbauen. Wie bei der anaeroben oder aeroben Atmung wird die Energie beider Gradienten zum Aufbau von ATP durch eine ATP-Synthase genutzt.

In Archaeen findet man ATP-Synthase des Typs A₁A_O, in Bakterien, Mitochondrien und Chloroplasten die F₁F_O-ATP-Synthase und in Eukaryoten die vom Typ V₁V_O. Letztere hydrolysieren ATP zum Aufbau eines Ionengradienten.. Methanogene nutzen eine A₁A_O-ATP-Synthase, obwohl in Ms. Barkeri und Ms. Acetivorans im Genom auch Gene für eine bakterielle F₁F_O-ATP-Synthase entdeckt wurden. Jedoch ist es nicht einmal sicher, ob diese auch exprimiert werden und überhaupt funktionell vollständig sind. Wahrscheinlich sind sie durch horizontalen Gentransfer in das Genom dieser Archaeen gelangt.

Ob die A₁A_O-ATP-Synthase in methanogenen Archaeen sowohl Protonen als auch Natriumionen nutzt, ist noch nicht eindeutig geklärt. Durch das Vorhandensein eines Na⁺/H⁺-Antiporters kann der elektrochemische Natriumionengradient aber in eine protonenmotorischen Kraft umgewandelt werden. So hat man im Genom von Ms. Mazei drei dieser Transporter identifiziert.

Die genaue Struktur der ATP-Synthase ist noch Gegenstand der Forschung. A₁A_O-ATP-Synthasen ähneln zwar eukaryotischen des Typs V₁V_O, sind aber funktionell unterschiedlich, da sie ATP erzeugen können. Die meisten Archaeen haben einen Rotor von 12 ionentranslozierenden Gruppen und eine katalytische Domäne mit drei Bindestellen, so dass man berechnet hat, dass vier Protonen für die Synthese eines Moleküls ATP notwendig sind. Als Ausnahme gilt die ATP-Synthase in Mc. Janaschii und Mc. Maripaludis, bei denen das Rotorelement nur über 8 ionentranslozierende Gruppen verfügt. Damit genügen bereits 2,6 Protonen für die Synthese eines Moleküls ATP.

Energieausbeute

Die Reduktion von Kohlenstoffdioxid zu Methan durch Wasserstoff ist exergon. Unter Standardbedingungen bei pH 7 beträgt die Änderung der Freien Energie (Gibbs-Energie) ΔG^0’ je nach Literaturangabe −130, −131 oder −135 kJ/mol CH₄. Unter solchen Bedingungen würden in der Methanogenese je Molekül gebildeten Methans drei Moleküle ATP aus ADP und P_i gebildet werden können. Für die Berechnung von ΔG^0’ werden, neben einer Temperatur von 25 °C, Konzentrationen der gelösten Gase im Gleichgewicht mit Gasdrücken von 10⁵ Pa vorausgesetzt. Dies kann jedoch nicht den physiologischen, d. h. natürlichen Bedingungen entsprechen, da solche hohen Gaskonzentrationen in den Habitaten weder vorkommen, noch in der Zelle aufrechterhalten werden könnten. Damit fällt die Energieausbeute unter natürlichen Bedingungen niedriger aus.

In den meisten Habitaten herrscht ein H₂-Gasdruck von etwa 1–10 Pa vor. Unter diesen Bedingungen liegt die Änderung der Freien Energie (ΔG’) bei etwa −17 bis −40 kJ/mol Methan, womit weniger als durchschnittlich ein Molekül ATP pro erzeugtem Molekül Methan gebildet werden kann. Außerdem spielen für die Berechung von ΔG’ auch der pH-Wert und die Temperatur eine Rolle.

Auch bei der Verwendung anderer C₁-Verbindungen ist ΔG’ gering, so dass viele Methanogene knapp am thermodynamischen Limit wachsen.

Evolution

Durch genomische Analysen nimmt man an, dass sich die Methanogenese früh in Euryarchaeota, und erst nach Abspaltung der Thermococcales etabliert hatte. Dies wird dadurch untermauert, dass alle Methanogene die gleichen homologen Enzyme und Cofaktoren für den zentralen methanogenen Stoffwechselweg teilen. Darüber hinaus ist die Methanogenese in der Evolution wahrscheinlich nur einmal aufgetreten, da sich ein horizontaler Gentransfer (HGT) zwischen den Methanogenen nicht nachweisen lässt. Zwischen den Ordnungen Methanopyrales, Methanobacteriales, Methanococcales (Klasse I-Methanogene) sowie Methanomicrobiales und Methanosarcinales (Klasse II-Methanogene) liegen noch Ordnungen, die keine Methanogenese durchführen können, z. B. die Thermoplasmatales, Archaeoglobales und Halobacteriales. Zwar können beispielsweise in A. fulgidus noch Enzyme für die ersten Schritte der Methanogenese nachgewiesen werden. Dem Archaeon fehlen aber Enzyme für die letzten beiden Schritte, so auch für die Coenzym M-Reduktase. Wahrscheinlich haben die Archaeen in diesen drei Ordnungen die Fähigkeit zur Methanogenese im Laufe der Evolution unabhängig voneinander verloren.

Warum recht früh und „plötzlich“ die Methanogenese in Euryarchaeota aufgetreten ist, bleibt noch Gegenstand der Forschung. Möglicherweise liegt ihr Ursprung in der Oxidation von Methan, also dem umgekehrten Stoffwechselweg. Methanotrophe Organismen oxidieren Methan zu Kohlenstoffdioxid, wobei dies in Bakterien aerob und Archaeen anaerob geschieht. Man vermutet, dass die methanotrophe Archaeen aus methanogenen Archaeen hervorgegangen sind. Möglicherweise entstanden aber die Methanogenese, die anaerobe Methanotrophie der Archaeen und die aerobe Methanotrophie der Bakterien aus einem gemeinsamen Stoffwechselweg, der im letzten gemeinsamen Vorfahren ursprünglich zur Entgiftung von Formaldehyd diente.

Manche Archaeen betreiben Methanogenese in Umgebungen von extremen Salz- und Säuregehaltes sowie hohen Temperaturen. Da dieses Umweltbedingungen vermutlich auch nach der Entstehung der Erde vorgeherrscht haben, werden methanogene Archaeen zu den ersten Lebensformen gezählt. Daher geht eine andere Theorie davon aus, dass der letzte gemeinsame Vorfahre der Archaeen selbst ein methanogener Organismus war. Demzufolge müsste aber die Fähigkeit zur Methanogenese in allen Crenarchaeota und allen anderen nicht-methanogenen Linien unabhängig voneinander verloren gegangen sein. Dies ist jedoch recht unwahrscheinlich.

Eine neue Theorie betrachtet die Rolle Pyrrolysins (Pyl) im Methyl-Corrinoid-Weg der Methanosarcinales, durch den Methylamine in die Methanogenese eintreten können. Die Methylgruppe dieser Methylamine wird durch eine spezifische Methyltransferase auf ein Corrinoid-enthaltenes Protein übertragen (vgl. Abschnitt oben). Methyltransferasen enthalten die 22. Aminosäure Pyrrolysin im katalytisch aktiven Zentrum. Pyl wurde so gut wie in keinem anderen Enzym nachgewiesen. Da die gesamte Pyl-Maschinerie stammesgeschichtlich als sehr alt gilt, vermutet man, dass diese durch horizontalen Gentransfer aus vermutlich mehreren Donorlinien stammt, die inzwischen ausgestorben sind oder noch nicht entdeckt wurden. Dies setzt aber auch voraus, dass die Donorlinie, aus der die Pyl-Maschinerie stammt, bereits einen gewissen Grad an Diversität zu dem Zeitpunkt erreicht hatte, als noch ein gemeinsamer Vorfahre (MRCA) unserer drei Reiche existierte.

Anwendung

Methan enthält noch einen großen Teil der Energie, die im Ausgangsprodukt Biomasse gespeichert war. Das macht man sich in verschiedenen technischen Anwendungen zu Nutze. So wird in Fermentern von Biogasanlagen, Faultürmen von Klärwerken und in Deponiekörpern die Methanbildung zur Erzeugung von Faulgasen (Biogas, Klärgas, Deponiegas) verwendet. Die dabei eingesetzte Biomasse wäre mit anderen Verfahren nicht oder nur schwierig energetisch nutzbar.

Die Nutzung des Methans in technischen Anwendungen, wie z. B. einem an eine Biogasanlage angeschlossenes Blockheizkraftwerk (BHKW), erfolgt durch Oxidation mit Sauerstoff:

$\mathrm {CH_{4}+2\ O_{2}\quad \rightarrow \quad CO_{2}+2\ H_{2}O}$

Literatur

• Lexikon der Biologie. Band 9, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2002, ISBN 3-8274-0334-0.
• Georg Fuchs (Hrsg.): Allgemeine Mikrobiologie, begründet von Hans-Günter Schlegel, 8. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York 2007, ISBN 978-3-13-444608-1.
• Michael T. Madigan, John M. Martinko, Paul V. Dunlap, David P. Clark: Brock – Biology of Microorganisms, 12. Auflage. Pearson, San Francisco u. a. O. 2009, ISBN 0-321-53615-0.
• Rudolf K. Thauer et al.: Hydrogenases from methanogenic archaea, nickel, a novel cofactor, and H2 storage. In: Annual Review of Biochemistry. Bd. 79, 2010, S. 507–536, PMID 20235826, doi:10.1146/annurev.biochem.030508.152103.
• G. Fournier: Horizontal gene transfer and the evolution of methanogenic pathways. In: Methods Mol Biol. 532, 2009, S. 163–179, PMID 19271184; doi:10.1007/978-1-60327-853-9.
• Rudolf K. Thauer et al.: Methanogenic archaea: ecologically relevant differences in energy conservation. In: Nat Rev Microbiol. Bd. 6, Nr.8, 2008, S. 579–591, PMID 18587410; doi:10.1038/nrmicro1931.
• U. Deppenmeier, V. Müller: Life close to the thermodynamic limit: how methanogenic archaea conserve energy. In: Results Probl Cell Differ. Bd. 45, 2008, S. 123–152, PMID 17713742; doi:10.1007/400_2006_026.

Siehe auch

• Gärung
• Grubengas