Methanzyklus
Methan (CH)4), ist eine allgegenwärtige Verbindung, die in der Natur vorkommt. Sie ist die grundlegendste organische Substanz und das einfachste Kohlenwasserstoff. Ihre Umweltbedeutung kann jedoch nicht unterschätzt werden. Methan ist ein starkes Treibhausgas, das nur von Kohlendioxid übertroffen wird, und hat einen erheblichen Einfluss auf das Ökosystem unseres Planeten und die globalen Klimadynamiken. Es hat ein Potenzial zur globalen Erwärmung, das 28 Mal höher ist als das von CO.2und trägt etwa 20% zum gesamten globalen Erwärmungseffekt bei.
Die derzeit im Vordergrund wissenschaftlicher Untersuchungen stehenden Methanmetabolismusprozesse sind die Methanogenese und die Methanoxidation. In diesen Prozessen spielen Mikroorganismen eine entscheidende Rolle. Mehr als zwei Drittel der globalen Methanemissionen stammen aus mikrobiellen Quellen, wobei ein erheblicher Teil auf methanproduzierende Mikroorganismen, bekannt als Methanogene, zurückzuführen ist. Diese Mikroorganismen gedeihen überwiegend in anaeroben, sauerstoffarmen Umgebungen.
Methanzyklus-Potenzial in der Sauerstoffminimumzone des Arabischen Meeres.
Metagenomische Sequenzierung und Analyse von Methanzyklus-Genen
Das Gebiet der metagenomischen Methanzyklus-Genanalyse verwendet Metagenomische Sequenzierungstechniken um die funktionalen Kapazitäten und Aktivitäten von Mikroorganismen in verschiedenen Lebensräumen zu entschlüsseln. Dieser Ansatz dient dazu, ihre Beiträge zum komplexen Methankreislauf zu rekonstruieren. Durch den Einsatz fortschrittlicher Sequenzierungstechnologien, mikrobielle Genomsequenzen werden aus verschiedenen Ökosystemen gewonnen. Anschließend werden diese metagenomischen Datensätze annotiert, um ihre Beteiligung an Methanmetabolismus-Funktionen offenzulegen und die beteiligten Arten zu identifizieren. Dieser Prozess wird durch die Methanzyklus-Metabolismus-Datenbank unterstützt.
Die Datenbank ist entscheidend für die Annotation. metagenomische Sequenzierungsdaten aus einer Vielzahl von Umgebungen, einschließlich heißen Quellensedimenten, marinen Sedimenten, Süßwasserökosystemen, Torfmooren und Tundragebieten. Die Ergebnisse bieten eine effiziente, spezifische und umfassende Analyse sowohl der strukturellen als auch der funktionalen Aspekte von mikrobiellen Gemeinschaften, die am Methanmetabolismus beteiligt sind. Dieser hochpräzise Ansatz verbessert unser Verständnis des mikrobiell gesteuerten Methanzyklus und seiner komplexen Wechselwirkungen mit anderen Elementen in der Umwelt.
Fall: Stickstoff- und Methanzyklen in den Sauerstoffminimumzonen des Arabischen Meeres
In den Sauerstoffminimumzonen (OMZs) des globalen Ozeans, wo die Sauerstoffkonzentrationen auf weniger als ein Prozent sinken, treiben einzigartige mikrobielle Gemeinschaften komplexe biogeochemische Kreisläufe an, einschließlich der von Stickstoff und Methan. Diese Regionen sind wesentliche Beiträge zum Stickstoffverlust im Ozean und spielen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der chemischen Zusammensetzung der Weltmeere. Unter den OMZs sticht das Arabische Meer als bemerkenswerter Ort hervor, an dem sowohl Anammox (anaerobe Ammoniumoxidation) als auch Denitrifikationsprozesse dokumentiert wurden.
Um ein tieferes Verständnis des genetischen Potenzials für den Stickstoff- und Methanzyklus innerhalb der OMZ des Arabischen Meeres zu erlangen, wurde eine umfassende metagenomische Studie durchgeführt, die sich auf zwei verschiedene Zonen konzentrierte: die oberen und die Kernregionen der OMZ.
In der oberen Zone der OMZ im Arabischen Meer beobachteten sie eine vielfältige Gemeinschaft von Thaumarchaeota, was auf ihre Beteiligung an der aeroben Ammoniumoxidation hindeutet. Thaumarchaeota sind bekannt für ihre Fähigkeit, Ammonium aerob zu oxidieren, was Licht auf die Stickstoffkreisläufe im oberen OMZ wirft. Das Vorhandensein dieser vielfältigen Thaumarchaeota Gemeinschaftspunkte für ihre aktive Teilnahme an diesem wesentlichen Schritt des Stickstoffkreislaufs.
Phylogenetische Inferenz von thaumarchaealen Contigs, die aus den OMZ-Metagenomen assemblierte wurden. (Lüke et al., 2016)
Phylogenetische Inferenz von Scalindua-verwandten Contigs, die aus den OMZ-Metagenomen assembliert wurden. (Lüke et al., 2016)
Beim Eindringen in die Kernzone der OMZ im Arabischen Meer beobachteten sie eine geringe Vielfalt an Scalindua-ähnlichen Anammox-Bakterien, die eine bedeutende Rolle beim Stickstoffverlust spielten. Anammox-Bakterien sind bekannt für ihre einzigartige Fähigkeit, Ammonium und Nitrit unter anaeroben Bedingungen in Stickstoffgas umzuwandeln, wodurch sie zur Reduzierung von Stickstoffverbindungen im Ozean beitragen.
Die Studie identifizierte ebenfalls Nitrospina spp. und eine neuartige Linie von Nitrit-oxidierenden Organismen als die Hauptakteure bei der aeroben Nitritoxidation innerhalb der OMZ. Beide Gruppen waren in etwa gleicher Häufigkeit vorhanden, was ihre gemeinsame Bedeutung für die Aufrechterhaltung der Stickstoffkreisläufe in dieser Umgebung unterstreicht.
Darüber hinaus deuteten ihre Forschungen auf das Potenzial der dissimilatorischen Nitratreduktion zu Ammoniak (DNRA) in der OMZ hin. Die verantwortlichen Mikroorganismen wurden noch nicht identifiziert, wiesen jedoch ein divergentes nrfA-Gen auf. DNRA ist ein wesentlicher Schritt im Stickstoffkreislauf, der Nitrat in Ammoniak umwandelt und die Verfügbarkeit von essentiellen Nährstoffen im Ozean beeinflusst.
Während der metagenomische Daten lieferten keine schlüssigen Beweise für einen aktiven Methanzyklus in der OMZ des Arabischen Meeres, sie entdeckten jedoch eine geringe Vielfalt an neuartigen Alkan-Monooxygenasen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Methanmetabolismus stattfinden könnte, wenn auch auf relativ niedrigem Niveau.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ihre umfassende metagenomische Studie Das OMZ des Arabischen Meeres offenbarte eine dynamische und vielfältige Gemeinschaft von Mikroorganismen, die am Stickstoffkreislauf teilnehmen, einschließlich aerober Ammoniumoxidation, Anammox, aerober Nitritoxidation und dem Potenzial für DNRA. Diese Ergebnisse werfen Licht auf das genetische Potenzial für einen aktiven Stickstoffkreislauf in dieser einzigartigen Umgebung und enthüllten bisher übersehene Linien von Bakterien, die am Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf beteiligt sind.
Referenz:
- Lüke, Claudia, et al. "Metagenomische Analyse des Stickstoff- und Methanzyklus im Sauerstoffminimumbereich des Arabischen Meeres." PeerJ 4 (2016): e1924.
Nur für Forschungszwecke, nicht zur klinischen Diagnose, Behandlung oder individuellen Gesundheitsbewertung bestimmt.
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