Studie zeigt, dass viel mehr Bakterien Treibhausgase produzieren als bisher angenommen

Caltech-Forscher haben eine neue Klasse von Enzymen entdeckt, die es unzähligen Bakterien ermöglichen, Nitrat unter sauerstoffarmen Bedingungen zu „atmen“. Dies ist zwar ein evolutionärer Überlebensvorteil für Bakterien, doch als Nebenprodukt entsteht bei diesem Prozess das Treibhausgas Distickstoffoxid (N2O), das nach Kohlendioxid und Methan das drittwirksamste Treibhausgas ist.

Im Gegensatz zu Kohlendioxid ist Lachgas jedoch nicht lange in der Atmosphäre verweilbar, sodass alle Maßnahmen zur Reduzierung seiner Emissionen unmittelbare Vorteile bringen können. So versorgt beispielsweise übermäßiger Düngereinsatz bei Nutzpflanzen die Bodenbakterien mit reichlich Nitrat, das sie dann in Lachgas umwandeln – ein umsichtigerer Einsatz von Düngemitteln könnte sowohl die Treibhausgasemissionen verringern als auch den Landwirten Geld sparen.

„Lachgas ist ein Treibhausgas, das viel schwieriger zu überwachen ist als Kohlendioxid, aber durch diese Forschung wissen wir jetzt, dass es weit mehr Quellen gibt, die Lachgas produzieren, als bisher angenommen“, sagt Woody Fischer, Professor für Geobiologie und leitender Forscher der neuen Studie.

„Wenn wir verstehen, wo und wann dieses Gas in die Atmosphäre freigesetzt wird, können wir intelligentere Entscheidungen treffen. In nicht allzu ferner Zukunft verfügen Landwirte über Informationen über die in ihrem Boden vorhandenen Mikrobengemeinschaften, sodass sie fundierte Entscheidungen darüber treffen können, wie und wann sie Düngemittel für die Landschaftsgesundheit einsetzen.“

A Papier Beschreibung der Forschung erschien am 20. Juni in der Zeitschrift Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Unter der Leitung der ehemaligen Postdoktorandin Ranjani Murali und des Forschungsleiters James Hemp untersuchte das Team die Genomsequenzen von Zehntausenden verschiedener mikrobieller Arten in verschiedenen Umgebungen der Erde. Die meisten Zellen in der Biosphäre verwenden bestimmte Proteine, sogenannte Reduktasen, um Sauerstoff zu atmen oder zu veratmen, aber Murali und ihr Team entdeckten eine breite Palette von Reduktasen, die eng verwandte Proteine ​​entwickelt hatten, um Stickoxid zu veratmen, wobei in diesem Prozess Lachgas entsteht.

Stickstoffmonoxid und Distickstoffmonoxid sind Zwischenprodukte der Denitrifikation, also des Prozesses, bei dem Bakterien Nitrat abbauen, eine Chemikalie, die in Düngemitteln enthalten ist. Bakterien können in vielen verschiedenen Umgebungen – Feuchtgebieten, alpinen Böden, Seen usw. – von der Sauerstoffatmung auf Stickstoffmonoxid umstellen, wenn der Sauerstoffgehalt unter etwa 10 % des atmosphärischen Niveaus fällt.

„Wir haben große Teile der Biosphäre übersehen, in denen Lachgas produziert wurde, weil diese Proteine ​​noch nicht entdeckt waren“, sagt Fischer. „Jetzt können wir anhand von Genomsequenzinformationen viel genauer vorhersagen, welche Organismen in welchen Umgebungen Lachgas produzieren. Es sind viel mehr, als wir dachten.“

Geobiologen waren bisher davon ausgegangen, dass anaerobe Stoffwechselwege wie die Nitratatmung evolutionär vor der Fähigkeit zur Sauerstoffatmung bei unseren frühen einzelligen Vorfahren entstanden. Diese Studie „dreht den Spieß um“, so Fischer, denn sie zeigt, dass die Proteine, die die Nitratatmung ermöglichen, sich tatsächlich vor zwei Milliarden Jahren aus jenen entwickelt haben, die Sauerstoff atmen.

„Mikrobiologen sagen häufig auf Grundlage vergleichender Genomik voraus, zu welchem ​​Stoffwechsel Mikroben fähig sind“, erklärt Co-Autor James Hemp, ein ehemaliger Postdoktorand am Caltech, der heute für das Unternehmen Meliora.bio in Utah arbeitet.

„Diese Hypothesen werden jedoch selten experimentell getestet. Unsere Arbeit hat die biochemische Vielfalt einer der am besten untersuchten Enzymfamilien in der Mikrobiologie dramatisch erhöht. Dies sollte als Warnung dienen, dass automatisierte Stoffwechselanalysen ohne experimentelle Überprüfung zu falschen Schlussfolgerungen über die Funktionen von Mikroben und Gemeinschaften führen können.“

Murali, jetzt Fakultätsmitglied an der University of Nevada Las Vegas, ist Erstautor der Studie. Neben Murali, Fischer und Hemp sind die ehemaligen Doktoranden LM Ward (Ph.D. ’17), jetzt am Smith College, und Usha F. Lingappa (Ph.D. ’21), jetzt an der UC Berkeley, Co-Autoren am Caltech. Weitere Co-Autoren sind Laura A. Pace von Meliora.bio, Robert A. Sanford und Robert B. Gennis von der University of Illinois at Urbana-Champaign sowie Mackenzie M. Lynes und Roland Hatzenpichler von der Montana State University.