Ohne Druck: Mikroorganismen produzieren elementaren Kohlenstoff

© Gunter Wegener/ Benedikt Geier, MPI Bremen

Bremen – Kohlenstoff kommt auf der Erde in den verschiedensten Strukturen und Formen vor. Elementarer Kohlenstoff wie etwa der strom- und wärmeleitfähige Graphit entsteht in der Natur eigentlich nur unter hohem Druck und Temperatur. Doch es geht offensichtlich auch anders.

Forschende haben erstmals Mikroorganismen identifiziert, die selbst elementaren Kohlenstoff bilden können. Dieser biologische Weg war bisher nicht bekannt. Zwar ist der gesamte Prozess noch nicht geklärt, doch einen ersten Zwischenstand der Ergebnisse hat ein Forschungsteam in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Wie elementarer Kohlenstoff in der Natur entsteht
Elementarer Kohlenstoff wird auf der Erde ohne das Zutun von Leben aus organischen Kohlenstoffverbindungen gebildet, wenn große Hitze und Druck alle anderen Elemente wie Wasserstoff und Stickstoff austreiben. So wird beispielsweise aus Holz tief im Boden bei erhöhten Temperaturen erst Kohle, dann bilden sich mit weiter zunehmendem Druck und steigender Temperatur reine Kohlenstoffverbindungen wie Anthrazit und Graphit. Graphit, der u.a. als Bleistiftmine genutzt wird, ist als Werkstoff nicht nur wegen der hohen Leitfähigkeit von Strom und Wärme interessant. Neben dem Naturgraphit wird das Mineral auch synthetisch hergestellt.

Dies sind die kristalline Formen des Kohlenstoffs. Werden Holz, Gas oder Öl verbrannt, bildet sich neben den Verbindungen wie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid auch Ruß, eine weitgehend ungeordnete Form des Kohlenstoffs. Dass Lebewesen selbst elementaren Kohlenstoff bilden, das war bisher nicht bekannt, teilte das Zentrum für Marine Umweltwissenschaften in Bremen mit.

Der zweite Weg: Mikroorganismen produzieren elementaren Kohlenstoff rein biologisch
Eigentlich kultiviert der Bremer Wissenschaftler Dr. Gunter Wegener Mikroorganismen, die Methan ohne Sauerstoff verbrauchen und daraus Energie gewinnen. Diese den Archaeen zugerechneten Mikroorganismen leben mit bakteriellen Partnern in einer Symbiose. Weil wenig Energie gewonnen wird, wachsen die Konsortien mit für Mikroorganismen sehr langen Verdoppelungszeiten von mehreren Monaten. Schon vor längerer Zeit haben Forschende allerdings festgestellt, dass die mikrobiellen Konsortien ungewöhnlich dunkel, ja geradezu schwarz sind.

Wegeners Kolleg:innen Dr. Kylie Allen und Prof. Robert White an der Virginia Tech (USA), die ständig auf der Suche nach neuen Biomolekülen und deren Funktionen sind, extrahierten auch methanoxidierende Kulturen aus dem Labor von Gunter Wegener mit organischen Lösungsmitteln. Zurück blieb eine schwarze, unbekannte Masse, die auch durch starke Säuren und Basen nicht gelöst werden konnte. Schließlich fanden sie heraus, dass es sich um nahezu reinen Kohlenstoff handelte.

Beweis: Methanoxidierende Mikroorganismen produzieren tatsächlich elementaren Kohlestoff
Die Frage, die sich nun stellte: woher stammte dieser elementare Kohlenstoff? Eine rein chemische Herkunft hatte das Team ausgeschlossen. Anschließend fütterten sie die Kultur mit Substraten mit isotopisch markiertem Kohlenstoff, der im Abbauprozess verfolgt werden kann, und analysierten dann den gebildeten Kohlenstoff. „So konnten wir nachweisen, dass tatsächlich die methanoxidierenden Archaeen für die Bildung des elementaren Kohlenstoffs verantwortlich sind“, erläutert Gunter Wegener.

Der Produktionsprozess, wie der elementare Kohlenstoff ohne Druck und Temperatur gebildet wird, liegt noch komplett im Dunkeln. „Diese Bildungsweise von elementarem Kohlenstoff durch Lebewesen ist uns Wissenschaftlern komplett neu. In den Archaeen müssen bisher völlig unbekannte Reaktionen am Werk sein“, erklärt Kylie Allen, die Erstautorin der Studie. „Noch wissen wir überhaupt noch nicht, welche biochemischen Reaktionen und Enzyme hier am Werk sind.“