Methanogenic hydrocarbon degradation and methane oxidation in benthic microbial communities [Elektronische Ressource] / Michael Siegert

Michael Siegert

Sujets

• Biologie

Informations

• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 98
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

Methanogenic hydrocarbon degradation
and methane oxidation
in benthic microbial communities

Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover

zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften
Dr. rer. nat.
genehmigte Dissertation
von
Diplombiologe Michael Siegert
geboren am 29. Juni 1976 in Erfurt

2010 Erster Referent: Prof. Dr. Axel Schippers
Koreferent: Prof. Dr. Thomas Brüser
Tag der Promotion: 5. Mai 2011

Schlagworte: methanogener Kohlenwasserstoffabbau, Methanoxidation, Stickstoffzyklus
Key words: methanogenic hydrocarbon degradation, methane oxidation, nitrogen cycle Zusammenfassung
Diese Arbeit untersucht das Schicksal von Kohlenstoff und Stickstoff während des
mikrobiellen Kohlenwasserstoffabbaus (KW-Abbau) und der anschließenden Methanoxidati-
on. Dies wurde erreicht durch die Erforschung mikrobieller Vergesellschaftungen welche hö-
here KW und Methan als Energiequellen metabolisieren. Da beide Abbauwege in marinen
Systemen weit verbreitet sind, konzentriert sich diese Dissertation auf benthische mikrobielle
Vergesellschaftungen.
In der Folge des Unfalls auf der Ölplattform “Deepwater Horizon” wurde Ölver-
schmutzungen in der Umwelt ein erhöhtes öffentliches Interesse zuteil. Da dieser Unfall
durch eine aufsteigende Methanblase verursacht wurde, sollte auch der Abbau von höheren
KW zu Methan besondere Beachtung finden. Wenngleich die offensichtlich nachteiligen
Auswirkungen von Ölverunreinigungen nicht vernachlässigt werden dürfen, sind doch Öl und
Gas die vorherrschenden Energieresourcen unserer Zeit.
Unsere Abhängig vom Öl erzwang die Erforschung neuer Strategien zur Ausbeutung
von Energierostoffen, wie z.B. “Microbially Enhanced Oil Recovery” (MEOR). Während sich
frühere Forschungsarbeiten auf die Ablösung des Öls vom Gestein konzentrierten, hat sich
während der letzten zehn Jahre ein neuer Forschungszweig, der mikrobielle Abbau von Öl
zu Methan, etabliert. Methanogener KW-Abbau wird auch als “mikrobielles Cracken” be-
zeichnet, da es sich um die mikrobielle Umwandlung höherer KW zum kleinsten KW Methan
handelt.
Diese Arbeit zeigt, daß methanogener KW-Abbau durch die Zugabe von Elektrone-
nakzeptoren zu mikrobiellen Vergesellschaftungen stimuliert werden kann. Verglichen mit
anderen Methoden ist die Zugabe von Ferrihydrit kostengünstig und bietet zudem den Vorteil
der Ausfällung von ungewünschtem Schwefelwasserstoff. Desweiteren konnte die Umwand-
lung eines polyaromatischen KWs (PAK) zu Methan gezeigt werden.
Beim methanogenen KW-Abbau ist es von Interesse, zu wissen, ob Methan in Ölla-
gerstätten oder verschmutzten Standorten durch mikrobiellen Abbau entstanden ist. Folglich
ist auch der Fortschritt des biologischen Abbaus von ökonomischem Interesse und die Be-
stimmung eines isotopischen “Fingerabdrucks” ist hierfür eine vielversprechende Methode.
Diese Arbeit zeigt solch einen “Fingerabdruck” für Methan und CO zum ersten Mal in zwei 2
Dimensionen für Wasserstoff und Kohlenstoff. Dies kann zukünftig schnell einen mikrobiellen
Anteil beim KW-Abbau anzeigen.
Wenn Methan beim methanogenen KW-Abbau freigesetzt wird, wird dieses wiederum
durch methanotrophe Mikroorganismen oxidiert. In früheren Arbeiten wurde schon die mikro-
biell katalysierte Methanoxidation durch verschiedene Elektronenakzeptoren gezeigt. Diese
Arbeit bietet weitere Hinweise auf Metall-assoziierte Methanoxidation an einer neuen Me-
thanaustrittsstelle vor Sumatra, dem “Simeulue Seep”. Verglichen mit ölverschmutzten
Standorten, waren die mikrobiellen Vergesellschaftungen am “Simeulue Seep” auf anaerobe
Methanoxidation spezialisiert. Dies wird auch in der typischen Zusammensetzung der mikro-
biellen Gemeinschaft deutlich, die Methan-oxidierende Archaeen und Sulfat-reduzierende
Bakterien aufwies.
Außerdem konzentriert sich diese Arbeit auf Sulfat- und Nitrat-gekoppelte Methanoxi-
dation. Sie zeigt, daß die anaerobe Oxidation von Methan (AOM) in mikrobiellen Matten aus
dem Schwarzen Meer mit der Nitratreduktion über Sulfatreduktion verbunden ist. Stickstoff
aus Nitrat und Ammonium wurde in die Biomasse, z.B. Proteine und besonders in die Me-
thyl-Coenzym M Reduktase, eingebaut. Stickstoffixierung konnte vernachlässigt werden. Zu-
sätzlich zu den schon bekannten AOM-Matten aus dem Schwarzen Meer, wurde ein neuer
Mattentyp – Die Trolle – ca. 500 m tiefer, nahe der Methanhydrat-Bildungszone, entdeckt.
Aufgrund der Tatsache, daß aerobe und anaerobe Methanoxidation durch verschie-
dene Mikroorganismen, Enzyme und Reaktionen betrieben wird, ist es sinnvoll, anzuneh-
men, daß stabile Wasserstoff- und Kohlenstoffisotope auch unterschiedlich fraktioniert wer-
den. Diese Arbeit zeigt, daß dies nicht der Fall war. Statt dessen kann mit Hilfe von Isotopen-
fraktionierungsexperimenten zwischen biotischer und abiotischer Methanoxidation unter-
schieden werden.
Abstract
This work aims to trace the fate of carbon and nitrogen during microbial methano-
genic hydrocarbon degradation and subsequent methane oxidation, by investigating micro-
bial communities utilising hydrocarbons and especially methane as energy source. Since
both processes, microbial hydrocarbon degradation and methane oxidation, are widespread
in marine environments, this work focuses on benthic microbial communities.
As a result of the recent accident on the drilling rig Deepwater Horizon the environ-
mental impacts of spilled petroleum received a great deal of public attention. The accident
was caused by an exploding methane bubble during the oilfield exploration, emphasising the
importance of methanogenic hydrocarbon degradation. Although the apparent adverse ef-
fects of oil spills must not be neglected, petroleum and methane are still the predominant en-
ergy resources for mankind.
The dependence of our lifestyle on petroleum has led to new concepts of oilfield ex-
ploitation, including microbially enhanced oil recovery (MEOR). While previous research of-
ten focussed on the detachment of higher hydrocarbons from their mineral matrix, a relatively
new branch – methanogenic hydrocarbon degradation – has emerged during the last dec-
ade. Methanogenic hydrocarbon degradation is also named “microbial cracking” because
microorganisms convert higher hydrocarbons into the smallest hydrocarbon methane.
This work shows that methanogenic hydrocarbon degradation can be stimulated by
adding electron acceptors to a hydrocarbon degrading microbial community. Compared with
other methods, the addition of electron acceptors, like ferrihydrite, is inexpensive and has the
advantage of scavenging unwanted sulfide. Moreover, the microbial conversion of a pol-
yaromatic hydrocarbon (PAH) to methane was demonstrated.
It is interesting to know whether methane in oilfields or contaminated sites is of mi-
crobial origin. As a consequence, the stage of biodegradation is of economic and environ-
mental interest. A promising tool is stable isotope fingerprinting of the degradation products
methane and CO . For the first time, this work shows such fingerprints in the two dimension 2
carbon and hydrogen. This allows the in situ identification of microbial involvement in
methanogenic hydrocarbon degradation.
When methane is released from methanogenic hydrocarbon degradation, it is often
oxidised by methanotrophic microorganisms. It has been demonstrated that, catalysed by
methanotrophic consortia, several electron acceptors oxidise methane to CO . This work 2
provides further hints for metal associated methane oxidation at a novel methane seep off
Sumatra (Simeulue seep). Compared with other, hydrocarbon contaminated sites, the
Simeulue seep’s microbial community preferably oxidised methane anaerobically while
methanogenic hydrocarbon degradation was negligible. This is reflected in a typical meth-
ane-seep community composition comprising anaerobic methane oxidising Archaea and sul-
fate reducing Bacteria.
Moreover, this work focuses on sulfate and nitrate coupled methane oxidation. It
shows that anaerobic oxidation of methane (AOM) couples to nitrate reduction indirectly via
sulfate reduction in micobial mats of the Black Sea. While nitrate and ammonium derived ni-
trogen was incorporated into biomass (proteins and especially methyl coenzyme M reduc-
tase), nitrogen fixation was negligible. In addition to the already known AOM performing mi-
crobial mats of the Black Sea, a novel type of mats – The Trolls – was discovered 500 m
deeper, near the methane gas hydrate formation zone.
Due to the fact that aerobic and anaerobic methane oxidation involve different types
of microorganisms, enzymes and reactions, it is plausible to assume that hydrogen and car-
bon stable isotopes are fractionated differently. However, this work shows that this is not the
case. Instead, biotic and abiotic methane oxidation can be distinguished by isotope fractiona-
tion investigations.
Table of contents
Abbreviations 5
Chapter 1 Introduction 7
1.1. The role of hydrocarbons in the environment 8
1.2. Oxidation of methane 10