Methan (CH4) ist ein potentes Treibhausgas, das zur globalen Erwärmung beiträgt und eine wichtige Rolle in der Atmosphärenchemie spielt. Aquatische Systeme wurden kürzlich als bedeutende Quellen von CH4 identifiziert, die bis zu 50 % zu den globalen CH4-Emissionen ausmachen. Es besteht jedoch weiterhin erhebliche Unsicherheit über das Ausmaß dieser Emissionen, insbesondere über deren räumliche und zeitliche Treiber. Dies gilt besonders für CH4-Emissionen aus den aquatischen Systemen der Arktis, die bisher kaum untersucht wurden. Um das Verständnis des globalen CH4-Budgets zu verbessern, ist es daher entscheidend die Quellen von CH4 in aquatischen Systemen genau zu charakterisieren und zu klassifizieren. Aktuelle Methoden zur Klassifizierung von CH4-Quellen nutzen stabile Isotopenverhältnisse wie stabile Kohlenstoff- (delta13C) und Wasserstoff- (delta2H) Isotopenwerte von CH4 (13C vs. 2H Diagramme) sowie geochemische Bernard-Verhältnisse, welche die molaren Verhältnisse von CH4 zu Ethan und Propan gegen delta13C-CH4 Werte darstellt (Bernard-Diagramme). Beide Diagramme werden verwendet, da verschiedene CH4-Quellen durch spezifische Bereiche von delta13C- und delta2H-CH4-Werten sowie Bernard-Verhältnissen charakterisiert sind. Eine wesentliche Einschränkung ergibt sich aus der CH4-Oxidation (MOx) durch methanotrophe Bakterien, die in aquatischen Umgebungen weit verbreitet sind. Dieser Prozess verändert die CH4-Konzentrationen und stabilen Isotopenwerte sowie die Ethan- und Propankonzentrationen, wobei die Oxidation dieser Gase bezüglich der CH4-Quellenklassifizierung bisher unberücksichtigt bleibt. Dies kann zu einer erschwerten Klassifizierung von CH4-Quellen bis hin zu Fehlinterpretationen führen. Ein vielversprechender neuer Parameter, um die Klassifizierung von CH4-Quellen in dieser Hinsicht zu verbessern, ist der sogenannte Delta(2,13)-Parameter, der auf den delta13C- und delta2H-Werten von CH4 basiert, jedoch zusätzlich für die durch MOx verursachte Isotopenfraktionierung korrigiert. Derzeit beeinträchtigen jedoch die begrenzte Nutzung des Delta(2,13) Parameters sowie fehlendes Wissen über potenzielle Einflussfaktoren seine Zuverlässigkeit und erfordern eine systematische Untersuchung. Das Ziel von AMIOX ist es, das Verständnis des aquatischen CH4-Kreislaufs zu vertiefen, indem die Klassifizierung von CH4-Quellen und -Senken in gemäßigten und arktischen aquatischen Systemen verbessert wird. Dies soll durch die Einführung des neuen Delta(2,13)-Parameters in Kombination mit Bernard- und 13C vs. 2H-CH4 Diagrammen erreicht werden. Um diese Ziele zu erreichen, werde ich den Einfluss von MOx auf die Delta(2,13)-Werte und Bernard-Verhältnisse durch drei weit verbreitete methanotrophe Spezies in Laborstudien unter verschiedenen Umweltbedingungen untersuchen. Schließlich werde ich die erworbenen Erkenntnisse im Feld anwenden, um das Verständnis des CH4-Kreislaufs in Seen in gemäßigten Breiten in Deutschland und arktischen Seen in Grönland zu verbessern.
Methanoxidierende Bakterien existieren vor allem in den (mikro)oxischen Grenzflächen anoxischer methanogener Standorte. Sie sind aber auch in nicht gefluteten Böden gegenwärtig, welche nur selten als methanogene Quelle fungieren. Solche Böden wirken oft als mikrobielle Senke für atmosphärisches Methan (Konzentration ca. 1.7 ppmv). Bisher ist nicht bekannt, wie sich methanotrophe Bakterien an solche substratarmen Bedingungen anpassen bzw. diese überdauern. Wir beabsichtigen daher zu untersuchen, welche methanotrophen Bakterien unter oligotrophen Bedingungen fähig sind zu überleben oder gar zu wachsen. Ausgangspunkt dieser Analysen wird eine Sammlung von über 100 Stämmen sein, welche von Mitarbeitern des Instituts aufgebaut worden ist. Es soll die spezifische Affinität zum Methan, die Minimalkonzentration an Methan notwendig zum Wachstum und die Fähigkeit dieser Stämme die Nichtverfügbarkeit von Methan zu überdauern bestimmt werden. Ferner wird untersucht, ob zwischen den physiologischen Eigenschaften und der Phylogenie der untersuchten Stämme eine Korrelation besteht. Im zweiten Forschungsschwerpunkt soll die Übertragbarkeit der im Labormaßstab erzielten Ergebnisse auf die Freilandsituation überprüft werden. Dabei soll unter Anwendung molekularökologischer Techniken der Frage nachgegangen werden, ob in solchen Böden, welche eine Senke für atmosphärisches Methan darstellen, nur definierte Species bzw. phylogenetisch koherente Gruppen an methanoxidierenden Bakterien nachweisbar sind. Gensonden und PCR-gestützte Nachweissysteme für methanotrophe Gruppen werden in definierten Mischungen methanotropher Bakterien gewachsen unter methanlimitierten Bedingungen die dominanten Methanotrophen zu identifizieren.
Methan (CH4) ist, neben CO2 das zweitwichtigste Treibhausgas (GHG). Die aktuelle atmosphärische Methankonzentration steigt seit 2007, vermutlich aufgrund von anthropogenem Einfluss bedingt durch intensivierte landwirtschaftliche Lebensmittelproduktion, stark an. Eine wichtige Aufgabe wird es zukünftig sein, die heutige Intensität der Landwirtschaft produktiv, aber auch gleichzeitig klimaneutral zu gestalten um dem Lebensmittelbedarf einer wachsenden Weltbevölkerung zu entsprechen. Zwei fundamental unterschiedliche Gruppen von Prokaryoten sind für den CH4 Umsatz in Böden verantwortlich. Methanotrophe Bakterien (MOB) wirken durch die Oxidation von atmosphärischem CH4, und von CH4, das durch methanogene Archaea im Boden produziert wurde bevor es die Atmosphäre erreicht, als biologische Filter. Derzeit ist nicht geklärt, inwieweit sich Unterschiede in der Landnutzungsintensität auf die funktionelle Diversität und die Aktivität dieser im Methanzyklus wichtigen Mikroorganismengruppen auswirken. Erste Untersuchungen zeigen einen negativen Effekt von hoher Nutzungsintensität auf die Methanaufnahme von gut belüfteten Grünlandböden. Allerdings ist wenig bekannt über den Einfluss der Landnutzungsintensität auf die räumliche und zeitliche Dynamik methanotropher und methanogener Bodenmikroorganismen. Wir haben ein interdisziplinäres Konsortium aus Experten der Bodenkunde, der Mikrobiologie und der Metagenomik mit komplementären Expertisen zu bodenbürtigen Treibhausgasen, methanotrophen und methanogenen Prokaryoten zusammengestellt. Durch die Kombination von aktuellen Methoden wollen wir die Biodiversitätsexploratorien als ideale Plattform nutzen, um die Frage zu beantworten, inwieweit Landnutzungsintensität die funktionelle Diversität und Aktivität von Methanumsetzenden Mikroorganismen beeinflusst.Die zugrundeliegenden Hypothesen wollen wir in zwei Arbeitspaketen (WP) überprüfen. Innerhalb von WP1 wollen wir untersuchen, welche Auswirkungen die Landnutzungsintensität von Grünland und Waldflächen auf die Methanflüsse und die Abundanz und Diversität von methanotrophen Bakterien (quantitative PCR) hat, und inwieweit dies von Umweltfaktoren abhängt. In WP2 wollen wir die jahres- und tageszeitliche Dynamik der Aktivität von methanogenen und methanotrophen Prokaryoten (mittels Metatranskriptomik und Methanfluss Messungen) untersuchen, und inwieweit diese durch Grünlandnutzungsintensität beeinflusst wird. Hierbei wird unser Fokus auf dem Vergleich auf Grünlandflächen auf wasserbeeinflussten Histosolen und gut durchlüfteten Leptosolen liegen. Unser Projekt BE-CH4 wird zu dem dringend benötigten Wissen um den Einfluss von Grünland- und Waldnutzungsintensität auf die räumliche und zeitliche Dynamik von den Methanfluss aus, und in Böden bedingenden Mikroorganismen beitragen.
Gasblasenfreisetzende Seep-Gebiete sind äußerst bedeutende Methanquellen in aquatischen Systemen. Einen wesentlichen Beitrag zur Kontrolle der Methanemission in die Atmosphäre liefern methanotrophe Mikroorganismen, die sowohl im Sediment als auch in der Wassersäule in der Umgebung dieser Seeps angesiedelt sind. Im Vergleich zum Hintergrundwasser sind im Nahfeld dieser Seeps die Abundanz und die Aktivität dieser Organismen in der Wassersäule stark erhöht. Unsere Pilotstudie im DFG Projekt Transport Methan-oxidierender Mikroorganismen aus dem Sediment in die Wassersäule über Gasblasen (Bubble Shuttle) an einer Seep Lokation im Coal Oil Point Seep Gebiet (Kalifornien, USA) konnte erstmals zeigen, dass methanotrophe Bakterien über Gasblasen vom Sediment in die Wassersäule transportiert werden können. Das übergeordnete Ziel des hierauf aufbauenden Projektes besteht darin, die Bedeutung dieses Transportprozesses für den pelagischen Methanumsatz an diesen Seep-Gebieten einzuschätzen. Dafür sollen uns multidisziplinäre Studien an verschiedenen Seep Gebieten in Santa Barbara (Kalifornien, USA) und der Nordsee ermöglichen, die Umweltfaktoren zu diskutieren, die auf die Effizienz des bentho-pelagischen Gasblasentransports einwirken. Durch laborbasierte Inkubationsexperimente planen wir die Aktivität benthischer methanoxidierender Bakterien, die wir an verschiedenen Seep-Gebieten beprobt haben, in pelagischer Umgebung zu untersuchen. Zusammen mit molekularbiologischen Untersuchungen wollen wir zusätzlich Antworten auf die Frage erhalten, ob der Gasblasentransport einen bentho-pelagischen Austauschprozess darstellt, der einen Einfluss auf die Diversität der pelagischen methanotrophen Gemeinschaft im Umfeld von Seep-Gebieten nimmt. Durch Feldstudien an einer Blowout Lokation in der Nordsee und der Einbindung ozeanographischer Messungen und Modelle wollen wir letztlich ein Budget für pelagische methanotrophe Bakterien in der Umgebung eines Seeps erstellen, mit dessen Hilfe wir die Bedeutung des bentho-pelagischen Gasblasentransports auf die Abundanz methanotropher Bakterien und den pelagischen Methanumsatz abschätzen können.
Methan ist ein höchst potentes Treibhausgas, dennoch ist das globale Methanbudget durch die vielen unbekannten CH4-Quellen und -senken sehr unsicher. Die Höhe der CH4-Anreicherung in der Wassersäule hängt von komplexen Interaktionen zwischen methanogenen Archaeen und methanotrophen Bakterien ab. Das bekannte Methan Paradoxon, das die CH4-Übersättigung im oxischen Oberflächenwasserkörper von Seen und Meeren darstellt, weckt Zweifel, dass die mikrobielle CH4-Bildung nur im anoxischen Milieu stattfindet. Im oligotrophen Stechlinsee haben wir eine wiederkehrende Methanübersättigung im Epilimnion gefunden. Unsere Studien zeigen, dass das CH4 aktiv in der oxischen Wassersäule produziert wird. Die Produktion scheint dabei an die autotrophe Produktion von Grünalgen und Cyanobakterien gekoppelt zu sein. Zur gleichen Zeit sind keine methanotrophen Bakterien im Epilimnion vorhanden, so dass das CH4 nicht oxidiert wird. Unsere Haupthypothese ist, dass pelagische Methanogene hydrogenotroph sind, wobei sie den Wasserstoff aus der Photosynthese und/oder Nitrogenaseaktivität nutzen. Unsere Untersuchungshypothesen sind:1) Die CH4-Produktion ist mit der Photosynthese und/oder N-Fixierung gekoppelt, wobei hydrogenotrophe methanogene Archaeen mit den Primärproduzenten assoziiert sind. Die Methanogenen können angereichert und kultiviert werden, um Mechanismen der epilimnischen CH4-Produktion detailliert zu untersuchen.2) Die CH4-Oxidation ist durch die Abwesenheit der Methanotrophen und/oder der Photoinhibition in den oberen Wasserschichten reduziert.3) Die CH4-Produktion innerhalb mikro-anoxischer Zonen, z. B. Zooplankton und lake snow, ist nicht ausreichend für die epilimnische CH4-Produktion.Die saisonale Entwicklung des epilimnischen CH4-Peaks soll in Verbindung mit den Photoautotrophen und der Seenschichtung im Stechlinsee untersucht werden. Dabei soll eine neu-installierte Mesokosmosanlage (www.seelabor.de) genutzt werden, um CH4-Profile bei unterschiedlichen autotrophen Gemeinschaften und Seenschichtungen zu studieren. Die Verknüpfung zwischen methanogenen Archaeen und den Photoautotrophen soll in Inkubationsexperimenten mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung und qPCR für funktionelle Gene untersucht werden. Methanotrophe werden quantifiziert und die Photoinhibition der CH4-Oxidation durch Inkubationsexperimente gemessen. In Laborexperimenten sollen die methanogenen Archaeen angereichert und kultiviert werden mittels dilution-to-extinction und axenischen Cyanobakterien und Grünalgen. Physiologische Studien an Anreicherungs- oder Reinkulturen sollen die zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen ermitteln. Feld- und Laborexperimente sollen helfen, das Methan Paradoxon zu entschlüsseln, um die bisherige und potentiell wichtige CH4-Quelle zu charakterisieren und zu quantifizieren. Die Studien sollen helfen, unser Verständnis des globalen CH4-Kreislaufes zu verbessern, damit zukünftige Prognosen realistischer werden.
Problemstellung: Grundwasser stellt mit einem Anteil von 65 % den am häufigsten für die Trinkwasseraufbereitung genutzten Rohwassertyp dar. Dabei ist der Großteil der Grundwässer als reduziert einzustufen und kann Methan aufweisen, welches bei unzureichender Entfernung die Wasseraufbereitung negativ beeinflussen kann. Dabei stellt nicht das Methan selber, sondern das Wachstum von Methan oxidierenden Bakterien (MOB) das eigentliche Problem dar. MOB oxidieren Methan unter aeroben Bedingungen zu Kohlenstoffdioxid (CH4 + 2 O2 ? CO2 + 2 H2O), was zu einer starken Sauerstoffzehrung im Wasser führt und eine unvollständige Eisen-, Ammonium- und Manganoxidation mit sich ziehen kann. Desweiteren kann es auf Grund der hohen Energieausbeute der Reaktion zu einem starken Wachstum der MOB in Form von schleimigen Biofilmen kommen. Die starke Biomasse- und Schleimproduktion kann insbesondere in Trinkwasserfiltern negative Auswirkungen haben, da sie filterhydraulische Probleme wie die Zunahme des Filterwiderstands, beschleunigtes Filterkornwachstum, Verbackungen des Filtermaterials und eine Verschlechterung der chemischen Filtratqualität hervorrufen kann. Daneben kann eine erhöhte Ablagerung von organischem Material im Filterbett mikrobiell-hygienische Probleme hinsichtlich einer Vermehrung von aeroben heterotrophen Bakterien und hygienisch relevanten Bakterien als Sekundärbesiedler bewirken. Vorgehensweise: Methan oxidierende Bakterien in Trinkwasseraufbereitungsanlagen sollen mit molekularbiologischen Methoden charakterisiert und in Zusammenhang mit Problemen in methanbelasteten Aufbereitungen gebracht werden. Die molekularbiologischen Untersuchungen gliedern sich dabei in folgende Hauptaspekte: 1. QUANTIFIZIERUNG: Etablierung eines quantitativen real-time PCR (qPCR)-basierten Nachweises von MOB in Trinkwasseraufbereitungsanlagen - Methodenvergleich: Gegenüberstellung der quantitativen Ergebnisse der qPCR mit Ergebnissen der bereits etablierten Methodik der Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) - 2. DIVERSITÄT: Molekularbiologische Populationsanalysen der Trinkwasserfilter mittels (Pyro-)Sequenzierung und anschließenden phylogenetischer Analysen auf Basis von 16S rRNA und funktionellen Genen - 3) AKTIVITÄT: Ermittlung der Methanabbauaktivität der MOB durch Methanoxidationstests - Identifizierung von MOB mit aktiven Stoffwechsel durch stable isotope probing (SIP): Einbau von Isotopen (13C)-markierten Substraten in Zellkomponenten (Nukleinsäuren, Lipide)
1. Vorhabensziel Sekundäre Gärungen stellen ein zweites kritisches 'Nadelör' im Elektronenfluss im Zuge des methanogenen Abbaus organischer Substanz dar. Anhand von präzisen Messungen der Poolgrössen verschiedener Gärungsintermediate im methanogenen Abbau in Probematerialien aus laufenden Biogasreaktoren und daraus abgeleiteten Anreicherungskulturen soll die energetische Situation der sekundären Gärer erfasst werden. Hierdurch lassen sich Engpässe im Substratumsatz identifizieren. Diese Engpässe sollen durch Zugabe von Spurenelementen und anderen Zusätzen weitgehend aufgehoben und damit eine erhöhte Stabilität des Prozesses erreicht werden. Auslenkungsversuche durch Pulse von Säuren und Fettsäureresten sollen eine Abschätzung der Elastizität des Substratumsatzes vor und nach Verabreichung geeigneter Zusätze abschätzen helfen. 2. Arbeitsplanung- Entwicklung eines geeigneten Probenahmeverfahrens zur in-situ-Bestimmung der Poolgrössen von Reaktionsintermediaten im methanogenen Abbau organischer Substanz - Bestimmung der Poolgrössen an Probematerialien aus verschiedenen Biogasreaktoren und daraus abgeleiteten Kulturen - Bestimmung der Aktivitäten von Schlüsselenzymen- Quantifizierung der beteiligten Schlüsselgruppen der jeweiligen Substratumsetzungen ('sekundäre Gärer') - Optimierung des Substratumsatzes durch Zusatz von Spurenelementen etc. - Untersuchungen der Stabilität der Systeme durch Pulse von Säuren und Fettsäureresten.
1. Vorhabensziel: Im geplanten Netzwerk sollen biochemische und metagenomische Parameter in Biogasanlagen erarbeitet werden. Essigsäure-bildendene, anaerobe Bakterien, die acetogenen Bakterien, sind ein wichtiges Glied in der anaeroben Nahrungskette. Ihr Stoffwechsel ist divers und sie verbinden die Aktivitäten von primären Gärern mit den methanbildenden Archaeen. Die biochemischen Leistungen der acetogenen Bakterien in Biogasanlagen sind aber nur unzureichend bekannt. Diese Lücke soll in diesem Projekt geschlossen werden. Dazu werden die acetogenen Bakterien bestimmt, isoliert und ihr metabolisches Potential wird überprüft. Nachfolgend werden die Schlüsselenzyme identifiziert und die Expression ihrer Gene analysiert. Diese Untersuchungen werden dann ein klares Bild darüber liefern, welche acetogenen Bakterien wann aktiv sein werden. Dadurch können Stoffflüsse und Flaschenhälse in der Gesamtumsetzung in der Biogasanlage erkannt und Prozesse optimiert werden. 2. Arbeitsplanung: 1) Populationsanalyse acetogener Bakterien. 2) Isolierung und Charakterisierung acetogener Bakterien. 3) Analyse des metabolischen Potentials. 4) Quantifizierung der Expression von Genen der Schlüsselenzyme. 5) Biochemische Charakterisierung von Schlüsselenzymen.
Im Rahmen des BioProFi-Konsortiums BioPara ist das Ziel dieses Vorhabens die dynamische Erfassung des Wasserstoff- und Methyl-Gruppen-Stoffwechsels methanogener Archaeen in Biogasanlagen, sowohl auf metagenomischer, als auch biochemischer Ebene. In situ-Inventarisierung der mikrobiellen Bioönose in Biogasanlagen (mit Fokus auf H2-abhängige Bakterien und Archaeen sowie auf methylotrophe Archaeen), die biochemische Bestimmung des methanoarchaealen Anteils am jeweiligen Gesamt-Stoffwechsel (H2-Bildung, H2-Verbrauch, Oxidation und Reduktion von Methyl-Gruppen), soll diese Stoffwechselaktivitäten als mögliche Raten-limitierende Schritte im Biogasprozess identifizieren. Die erhaltenen Daten sollen für die Isolierung methanogener Stämme mit Eigenschaften, die den Biomasse-Umsatz steigern können, herangezogen werden. Das Vorhaben soll so detaillierte Erkenntnisse über die H2- und Methylgruppen-abhängigen biochemische Prozesse in Biogasanlagen liefern, und so Maßnahmen identifizieren, durch die Methanproduktivität in diesen Anlagen gesteigert werden kann. Aus Biogasanlage-Proben werden H2-Verbrauch, H2-Bildung, der Anteil der methanogenen Hydrogenase-Aktivität an der Gesamt-Hydrogenase-Aktivität, sowie der Anteil der methylotrophen Methanogenese an der Gesamt-Methanausbeute, bestimmt. Desweiteren werden Methanogene mit verbesserten Eigenschaften isoliert. Die erhaltenen Daten werden mit der mikrobiellen Biozönose in Bezug gesetzt.
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