Wenn Bodenmikroben Pflanzenmaterial fressen, folgt die verdaute Nahrung einem von zwei Wegen. Entweder verwendet die Mikrobe die Nahrung, um ihren eigenen Körper aufzubauen, oder sie atmet ihre Mahlzeit als Kohlendioxid (CO2) in die Atmosphäre aus.
Nun hat ein von der Northwestern University geleitetes Forschungsteam erstmals die Wege einer Mischung aus Pflanzenabfällen verfolgt, die durch den Stoffwechsel der Bakterien wandern und zum atmosphärischen CO2-Gehalt beitragen. Die Forscher entdeckten, dass Mikroben aus Lignin-Kohlenstoffen (aromatische Einheiten ohne Zucker) dreimal so viel CO2 veratmen wie aus Zellulose-Kohlenstoffen (Glukose-Zucker-Einheiten), die den Zellwänden der Pflanzen Struktur und Halt verleihen.
Diese Erkenntnisse tragen dazu bei, die Rolle der Mikroben im Kohlenstoffkreislauf des Bodens zu entschlüsseln. Diese Informationen könnten dazu beitragen, die Auswirkungen des Kohlenstoffs im Boden auf den Klimawandel besser vorhersagen zu können.
Die Studie „Unverhältnismäßiger Kohlendioxidausstoß in bakteriellen Stoffwechselwegen für verschiedene organische Substrate führt zu unterschiedlichem Beitrag zur Kohlenstoffnutzungseffizienz“ wurde veröffentlicht am 11. Juni in der Zeitschrift Umweltwissenschaft und -technologie.
„Der im Boden gespeicherte Kohlenstoffpool ist etwa zehnmal so groß wie die Menge in der Atmosphäre“, sagte Ludmilla Aristilde von der Northwestern University, die die Studie leitete.
„Was mit diesem Reservoir geschieht, wird enorme Auswirkungen auf den Planeten haben. Da Mikroben diesen Kohlenstoff freisetzen und in atmosphärisches CO2 umwandeln können, besteht ein großes Interesse daran, zu verstehen, wie sie Pflanzenabfälle verstoffwechseln. Wenn die Temperaturen steigen, wird mehr organische Substanz verschiedener Art im Boden verfügbar sein. Das wird die Menge an CO2 beeinflussen, die durch mikrobielle Aktivitäten freigesetzt wird.“
Aristilde ist ein Experte für die Dynamik organischer Stoffe in Umweltprozessen und außerordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der McCormick School of Engineering der Northwestern University. Er ist Mitglied des Center for Synthetic Biology und des Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Erstautorin der Abhandlung ist Caroll Mendonca, eine ehemalige Doktorandin in Aristildes Labor. An der Studie waren auch Mitarbeiter der University of Chicago beteiligt.
„Nicht alle Wege sind gleich“
Die neue Studie baut auf laufenden Arbeiten in Aristildes Labor auf, um zu verstehen, wie der Boden Kohlenstoff speichert – oder freisetzt. Während frühere Forscher normalerweise verfolgten, wie sich zersetzte Verbindungen aus Pflanzenmaterial einzeln durch Bakterien bewegen, verwendete Aristildes Team stattdessen eine Mischung dieser Verbindungen, um darzustellen, welchen Einflüssen Bakterien in der natürlichen Umwelt ausgesetzt sind.
Um anschließend zu verfolgen, wie sich verschiedene Pflanzenderivate durch den Stoffwechsel eines Bakteriums bewegten, markierten die Forscher einzelne Kohlenstoffatome mit Isotopenmarkierungen.
„Die Isotopenmarkierung hat es uns ermöglicht, Kohlenstoffatome zu verfolgen, die für jeden Verbindungstyp innerhalb der Zelle spezifisch sind“, sagte Aristilde. „Indem wir die Kohlenstoffrouten verfolgten, konnten wir ihre Wege im Stoffwechsel erfassen. Das ist wichtig, weil nicht alle Wege hinsichtlich der Produktion von Kohlendioxid gleich sind.“
Zuckerkohlenstoffe in Zellulose beispielsweise wanderten durch glykolytische und Pentosephosphat-Wege. Diese Wege führen zu Stoffwechselreaktionen, die verdaute Stoffe in Kohlenstoffe umwandeln, um DNA und Proteine herzustellen, die die eigene Biomasse der Mikrobe aufbauen. Aromatische, nicht zuckerhaltige Kohlenstoffe aus Lignin wanderten jedoch auf einem anderen Weg – durch den Tricarbonsäurezyklus.
„Der Tricarbonsäurezyklus kommt in allen Lebensformen vor“, sagte Aristilde. „Er kommt in Pflanzen, Mikroben, Tieren und Menschen vor. Während dieser Zyklus auch Vorläufer für Proteine produziert, enthält er mehrere Reaktionen, die CO2 produzieren. Der größte Teil des CO2, das beim Stoffwechsel ausgeatmet wird, stammt aus diesem Weg.“
Erweiterung der Erkenntnisse
Nachdem Aristilde und ihr Team die Stoffwechselwege verfolgt hatten, führten sie eine quantitative Analyse durch, um die Menge an CO2 zu bestimmen, die aus verschiedenen Arten von Pflanzenmaterial entsteht. Nach dem Verzehr einer Mischung aus Pflanzenmaterial atmeten Mikroben dreimal so viel CO2 aus Kohlenstoffen aus Lignin aus als aus Kohlenstoffen aus Zellulose.
„Obwohl Mikroben diese Kohlenstoffe gleichzeitig verbrauchen, ist die Menge an CO2, die aus jeder Kohlenstoffart erzeugt wird, unverhältnismäßig groß“, sagte Aristilde. „Das liegt daran, dass der Kohlenstoff über zwei verschiedene Stoffwechselwege verarbeitet wird.“
In den ersten Experimenten verwendeten Aristilde und ihr Team Pseudomonas putida, ein weit verbreitetes Bodenbakterium mit vielseitigem Stoffwechsel. Neugierig, ob ihre Erkenntnisse auch auf andere Bakterien anwendbar waren, untersuchten die Forscher Daten aus früheren Experimenten in der wissenschaftlichen Literatur. Sie stellten fest, dass derselbe Zusammenhang, den sie zwischen Pflanzenmaterial, Stoffwechsel und CO2 entdeckt hatten, auch bei anderen Bodenbakterien zu beobachten war.
„Wir schlagen eine neue, vom Stoffwechsel geleitete Perspektive vor, um darüber nachzudenken, wie verschiedene Kohlenstoffstrukturen, die für Bodenmikroben zugänglich sind, verarbeitet werden“, sagte Aristilde. „Das wird entscheidend dazu beitragen, vorherzusagen, was mit dem Kohlenstoffkreislauf im Boden bei einem sich ändernden Klima passieren wird.“
Mehr Informationen:
Caroll Mendonca et al., Unverhältnismäßiger Kohlendioxidausstoß in bakteriellen Stoffwechselwegen für verschiedene organische Substrate führt zu unterschiedlichem Beitrag zur Kohlenstoffnutzungseffizienz, Umweltwissenschaft und -technologie (2024). DOI: 10.1021/acs.est.4c01328. pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c01328