Wie Pflanzen als Methanquelle wirken könnten

25. Juni 2014

Forscher zeigen, dass das Treibhausgas aus der schwefelhaltigen Aminosäure Methionin entsteht

Foto: Frederik Althoff

In einem geschlossenen Gefäß ziehen Forscher Tabakpflanzen und versetzen sie mit der Aminosäure Methionin. Diese ist dadurch markiert, dass ihre Methylgruppe einen hohen Anteil des schweren Kohlenstoff-Isotops 13-C enthält. An mehreren aufeinanderfolgenden Tagen nach Beginn des Experiments analysierten die Wissenschaftler die Luft aus dem Gefäß in einem Massenspektrometer und fanden darin Methan mit relativ viel schwerem Kohlenstoff.

Für das Treibhausgas Methan gibt es in der Natur mehr Quellen, als der Wissenschaft lange Zeit bekannt war. Auch Pflanzen gehören dazu, wie Forscher bereits 2006 gezeigt haben, auch wenn bisher nicht nachvollzogen werden konnte, auf welche Weise der einfache Kohlenwasserstoff dort gebildet wird. Wie ein deutsch-britisches Team um Wissenschaftler des Instituts für Geowissenschaften der Universität Heidelberg und des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz nun herausgefunden hat, entsteht Methan in Pflanzen aus der schwefelhaltigen Aminosäure Methionin, die alle Lebewesen für den Aufbau von Proteinen benötigen. Die Forscher liefern mit ihren Versuchen im Reagenzglas zugleich auch Hinweise, wie die Methanbildung aus Methionin auf abiotischem Weg – also ohne die Hilfe von Enzymen – in Pflanzenzellen erfolgen könnte. Die Forschungsergebnisse wurden in „Nature Communications“ veröffentlicht.

Methan entsteht nach gängiger Lehrmeinung entweder chemisch, bei großer Hitze oder unter hohem Druck, und es kann ein Produkt mikrobieller Aktivität sein. In früheren Forschungen ist Dr. Keppler auf weitere Quellen wie Pflanzen, Pilze und Böden gestoßen. Um der pflanzlichen Methanquelle auf den Grund zu gehen, verfolgten der Geochemiker und seine Kollegen in ihren Untersuchungen zwei Wege. Zum einen infiltrierten sie die Blätter von Tabakpflanzen mit speziell markiertem Methionin und ließen die Schößlinge auf einem Nährmedium in einem geschlossenen Gefäß wachsen. Die präparierte Aminosäure, die die Wissenschaftler als möglichen Vorläufer von Methan ausgewählt hatten, enthielt in der Methylgruppe besonders viel Kohlenstoff 13. Dieses schwere Kohlenstoffisotop lässt sich in geeigneten Analysen klar vom gewöhnlichen Kohlenstoff 12 unterscheiden. An mehreren aufeinanderfolgenden Tagen nach Beginn des Experiments analysierten die Wissenschaftler die Luft aus dem Gefäß in einem Massenspektrometer. Sie fanden darin Methan mit relativ viel schwerem Kohlenstoff, wie Frank Keppler erläutert.

Zum anderen stellten Dr. Keppler und sein Team Versuche im Reagenzglas an. In eine wässrige Lösung brachten sie verschiedene methylierte Substanzen ein. Dazu gehörten Methionin, Dimethylsulfoxid und Lecithin, die eine von Methan abgeleitete Methylgruppe enthalten. Zusammengebracht wurden diese Substanzen mit Eisenionen, Ascorbinsäure und Wasserstoffperoxid, die in Pflanzen, Pilzen und Tieren auch daran beteiligt sind, Methylgruppen in andere Moleküle einzubauen oder daraus zu entfernen. In den Experimenten entstand Methan aus Methionin und einigen anderen schwefelhaltigen Stoffen, die allerdings in Pflanzen nicht vorkommen. Nach Angaben von Dr. Keppler erfolgte die Methanbildung auf abiotischem Wege, also ohne das biochemische Zutun von Enzymen.

„Eine Voraussetzung ist dabei offenbar, dass die Methylgruppe mit einem Schwefelatom verknüpft ist“, sagt Frank Keppler. „Nur aus solchen Stoffen bildete sich Methan in nennenswerten Mengen.“ So wurde der Kohlenwasserstoff auch aus Dimethylsulfoxid abgespalten. In Pflanzen spielt dieses Sulfoxid nach den Worten Dr. Kepplers keine Rolle, in Algen könnte es aber ein wichtiger Ausgangsstoff sein, aus dem Methan freigesetzt wird. Mit dieser Erkenntnis lässt sich möglicherweise das Methan-Ozean-Paradoxon erklären: Aus den Weltmeeren entweichen größere Mengen Methan, obwohl die Ozeane sauerstoffreich sind. Dieses Phänomen lässt sich nicht begründen, wenn man der gängigen Lehrmeinung folgt, dass Mikroorganismen nur in Abwesenheit von Sauerstoff Methan produzieren. „Ob der abiotische Mechanismus, den wir im Reagenzglas beobachtet haben, in Pflanzen auch tatsächlich so abläuft, haben wir noch nicht bewiesen. Das möchten wir in künftigen Arbeiten herausfinden“, sagt der Wissenschaftler, der die Forschungsgruppe Biogeochemie am Institut für Geowissenschaften der Universität Heidelberg leitet. An den Forschungsarbeiten waren auch Wissenschaftler des Centre for Organismal Studies und des Anorganisch-Chemischen Instituts der Ruperto Carola beteiligt.

Originalpublikation:
F. Althoff, K. Benzing, P. Comba, C. McRoberts, D.R. Boyd, S. Greiner an F. Keppler: Abiotic methanogenesis from organosulphur compounds under ambient conditions. Nature Communications (24 Juni 2014), doi:10.1038/ncomms5205