Mikroben entdeckt, die CO2 in Gestein umwandeln

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Evolutionärer Schlüsselprozess: Wasserstoff schon am Ursprung des Lebens nutzbar

Eine neue Untersuchung in The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) beschreibt, wie Wasserstoff am Ursprung des Lebens vor 4 Milliarden Jahren Energie lieferte. Er ist eine uralte Energie: Die allerersten Zellen auf der Erde lebten von H2, das in hydrothermalen Schloten produziert wurde, und nutzten die Reaktion von H2 mit CO2, um die Moleküle des Lebens herzustellen. Mikroben, die durch die Reaktion dieser beiden Gase gedeihen, können in völliger Dunkelheit leben und unheimliche, ursprüngliche Lebensräume wie hydrothermale Schlote in der Tiefsee oder heiße Gesteinsformationen tief in der Erdkruste bewohnen. Überraschende neue Erkenntnisse darüber, wie die ersten Zellen auf der Erde dazu kamen, H2 als Energiequelle zu nutzen, stammen von einem Team um William F. Martin von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und Martina Preiner vom Max-Planck-Institut (MPI) für terrestrische Mikrobiologie in Marburg, das von Forschenden in Deutschland und Asien unterstützt wurde. Gleichzeitig  entdeckte ein US-Forscherteam in Sanford Lead, South Dakota, eine Reihe natürlich vorkommender Mikroben, die sich von Kohlendioxidgas ernähren und es durch einen Prozess namens Kohlenstoffmineralisierung in festes Gestein verwandeln.

Sanford Underground Research Facility in Lead, im Vordergund die alte Goldmine – Foto © SURF

Um Energie zu gewinnen, müssen die Zellen die Elektronen aus H2 zunächst energetisch bergauf befördern. „Das ist so, als würde man einen Fluss bitten, bergauf statt bergab zu fließen. Zellen brauchen also technische Lösungen“, erklärt Max Brabender, einer der drei Erstautoren der Studie. Wie Zellen dieses Problem lösen, wurde erst vor 15 Jahren von Wolfgang Buckel und seinem Kollegen Rolf Thauer in Marburg entdeckt. Sie fanden heraus, dass die Zellen die beiden Elektronen im Wasserstoff auf unterschiedliche Wege schicken. Ein Elektron geht weit nach unten, so weit, dass es so etwas wie einen Flaschenzug (oder einen Siphon) in Bewegung setzt, der das andere Elektron energetisch nach oben ziehen kann. Dieser Vorgang wird als Elektronenbifurkation bezeichnet. In den Zellen sind dafür mehrere Enzyme erforderlich, die die Elektronen zu einem alten und wichtigen biologischen Elektronenträger namens Ferredoxin befördern. Die neue Studie zeigt, dass bei einem pH-Wert von 8,5, der typisch für natürliche alkalische Schlote ist, „keine Proteine erforderlich sind“, erklärt Buckel, Ko-Autor der Studie, „die H-H-Bindung von H2 spaltet sich an der Eisenoberfläche und erzeugt Protonen, die vom alkalischen Wasser verbraucht werden, und Elektronen, die dann einfach direkt auf Ferredoxin übertragen werden.“

Wie eine energetische Aufwärtsreaktion in der frühen Evolution, bevor es Enzyme oder Zellen gab, funktioniert haben könnte, war ein sehr anspruchsvolles Rätsel. „Mehrere verschiedene Theorien wurden dazu aufgestellt, wie die Umwelt die Elektronen vor der Entstehung der Elektronenverzweigung energetisch nach oben zu Ferredoxin getrieben haben könnte“, sagt Martin, „wir haben einen Prozess identifiziert, der einfacher nicht sein könnte und der unter den natürlichen Bedingungen der Hydrothermalquellen funktioniert.“

Seit der Entdeckung der Elektronenbifurkation haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler herausgefunden, dass dieser Prozess sowohl uralt als auch absolut essenziell für Mikroben ist, die von H2 leben. Chemikerinnen wie Martina Preiner und ihr Marburger Team konzentrieren sich in ihrer evolutionär orientierten Forschung auf die Auswirkungen der Umwelt für Reaktionen, die Mikroben heute nutzen. Sie kamen möglicherweise schon am Ursprung des Lebens zum Einsatz. Es stellt sich dabei das schwierige Problem: Wie wurde H2 für die CO2-Bindung nutzbar gemacht, bevor es komplizierte Proteine gab? „Metalle liefern Antworten“, sagt Preiner, „am Anfang des Lebens können Metalle unter alten Umweltbedingungen die Elektronen von H2 nach oben schicken, und wir können Relikte dieser ursprünglichen Chemie in der Biologie moderner Zellen sehen.“ Aber Metalle allein sind nicht genug. „H2 muss auch von der Umwelt produziert werden“, fügt die Ko-Erstautorin Delfina Pereira aus Preiners Labor hinzu. „Solche Umgebungen findet man in Hydrothermalquellen, wo Wasser mit eisenhaltigem Gestein interagiert und H2 produziert und wo Mikroben noch heute von diesem Wasserstoff als Energiequelle leben.“

Sogenannte Hydrothermale Schlote, sowohl moderne als auch uralte, erzeugen H2 in so großen Mengen, dass das Gas eisenhaltige Mineralien in metallisch glänzendes Eisen verwandeln kann. „Dass Wasserstoff aus Mineralien metallisches Eisen machen kann, ist kein Geheimnis“, sagt Harun Tüysüz, Experte für Hightech-Materialien am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung Mülheim und Mitautor der Studie. „Viele Prozesse in der chemischen Industrie nutzen H2, um während der Reaktion Metalle aus Mineralien zu machen.“ Überraschend ist, dass dies auch in der Natur geschieht, vor allem an hydrothermalen Schloten, und dass dieses natürlich abgelagerte Eisen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung des Lebens gespielt haben könnte“, so Tüysüz.

Eisen war das einzige in der neuen Studie identifizierte Metall, das in der Lage war, die Elektronen in H2 zu Ferredoxin hinaufzuschicken. Die Reaktion funktioniert jedoch nur unter alkalischen Bedingungen, wie sie in einer bestimmten Art von hydrothermalen Schloten herrschen. Natalia Mrnjavac von der Düsseldorfer Gruppe und Erstautorin der Studie betont: „Das passt gut zu der Theorie, dass das Leben in solchen Umgebungen entstanden ist. Das Spannendste ist, dass solche einfachen chemischen Reaktionen eine wichtige Lücke im Verständnis des komplexen Entstehungsprozesses schließen können und dass wir heute im Labor sehen können, wie diese Reaktionen unter den Bedingungen alter Hydrothermalquellen ablaufen.“

Sanford: Großer Fortschritt für Kohlenstoffspeicherung

Die Sanford Underground Research Facility (SURF), auch Sanford Lab genannt, ist ein unterirdisches Labor in Lead, South Dakota, in der ehemaligen Homestake Goldmine – Bis zu ihrer Schließung im Jahr 2002 die größte und tiefste Goldmine Nordamerikas und förderte während ihrer Lebensdauer mehr als 1.240.000 kg Gold. Das Homestake-Labor ist das tiefste unterirdische Labor der Vereinigten Staaten und beherbergt mehrere Experimente in Bereichen wie der Erforschung dunkler Materie und der Neutrinophysik, Biologie, Geologie und Technik. Die Homestake-Mine ist in wissenschaftlichen Kreisen wegen der Arbeit eines unterirdischen Labors bekannt, das dort Mitte der 1960er Jahre eingerichtet wurde. Hier wurde das Problem der solaren Neutrinos im Rahmen des so genannten Homestake-Experiments erstmals entdeckt. Raymond Davis Jr. führte dieses Experiment Mitte der 1960er Jahre durch, bei dem erstmals solare Neutrinos beobachtet wurden. Gegenwärtig sind in der Einrichtung 28 aktive Forschungsprojekte untergebracht. Die Tiefe, die Stabilität des Gesteins und die Geschichte des Sanford Labs machen es zum idealen Ort für empfindliche physikalische Experimente, die vor der hochenergetischen kosmischen Strahlung der Sonne geschützt werden müssen. Darüber hinaus wird die Anlage von Forschern genutzt, die sich mit Geologie, Biologie und Ingenieurwesen befassen. (Nach en.wikipedia.org/Homestake_Mine)

Von den ForscherInnen tief im SURF (Sanford Underground Research Facility) entdeckte Mikroben könnten zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen beitragen. Eine Idee zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen besteht darin, CO2 unterirdisch in tiefe Gesteinsschichten zu pumpen, was als geologische Sequestrierung bezeichnet wird. Wie im folgenden Artikel des Energieministeriums zu lesen ist, wird in dieses Verfahren stark investiert: Bidens Regierung stellt 1,2 Mrd. Dollar für Projekte zur Kohlenstoffabscheidung in Louisiana und Texas bereit. Es ist jedoch eine Herausforderung, das abgeschiedene CO2 im Untergrund zu halten.

„Wenn CO2 als Gas eingeleitet wird, kann es in die Atmosphäre entweichen“, so Dr. Gokce K. Ustunisik, außerordentliche Professorin in der Abteilung für Geologie und Geotechnik bei South Dakota Mines. „Wenn beispielsweise eine geologische Verwerfung auftritt oder wenn sich der Druck nach dem anfänglichen Abpumpen an der Oberfläche ändert, sucht das gespeicherte Gas nach einem Weg, um zu entweichen.

Um dieses Problem zu lösen, versuchen Wissenschaftler, das CO2-Gas im Untergrund zu binden, indem sie es in Gesteinsschichten mit bestimmten geochemischen Eigenschaften pumpen, die das Gas auflösen und in ein Karbonatmineral umwandeln – ein Prozess, der als In-situ-Mineralisierung bezeichnet wird. Dieser Prozess dauert in der Natur jedoch sehr lange, zwischen 7 und 10 Jahren. Eine Innovation, die von SURF-ForscherInnen entdeckt wurde, könnte dies jedoch ändern.

Das Forscherteam entdeckte eine Reihe natürlich vorkommender Mikroben, die sich von Kohlendioxidgas ernähren und es durch einen Prozess namens Kohlenstoffmineralisierung in festes Gestein verwandeln. Die Ergebnisse wurden dank eines Zuschusses der National Science Foundation in Höhe von 300.000 Dollar erzielt, mit dem die ersten Forschungsarbeiten finanziert wurden.

„Der erste EAGER-Zuschuss der NSF für dieses Projekt ermöglichte es uns, Laborexperimente zu entwickeln, um die optimalen Bedingungen wie Druck, Temperatur, Zeit, Säuregehalt und Korngröße zu verstehen, die für die Mineralisierung ohne die Hilfe von Bakterien als ersten Schritt erforderlich sind. Diese Bedingungen waren zuvor noch nie untersucht worden“, so Ustunisik. „Dann haben wir verschiedene Mikroben getestet, die mit den Bedingungen im Untergrund zurechtkommen. Schließlich haben wir getestet, wie schnell die Mineralisierung mit Bakterien erfolgt, indem wir parallele Experimente mit und ohne biologische Aktivität durchgeführt haben. Wir fanden heraus, dass wir in den Experimenten mit Mikroben CO2 speichern können, indem wir das Mineral MgCO3-Magnesit in nur zehn Tagen auskristallisieren.“

Diese Mikroben oder Extremophilen wurden im SURF in der ehemaligen Goldgräberstadt Lead, South Dakota, in den Black Hills gefunden. Das Team hat jahrelang nach diesen Extremophilen gesucht, die Tausende von Metern unter der Erde in wassergefüllten Gesteinsklüften wachsen und einzigartige Eigenschaften haben, die es ihnen ermöglichen, in extremen Umgebungen zu gedeihen. Die ForscherInnen konnten vier Arten von Mikroben isolieren und durch eine Reihe von Laborexperimenten zeigen, dass sie große Mengen von Kohlendioxid in Gestein umwandeln können, das für Tausende von Jahren stabil und außerhalb des atmosphärischen Kreislaufs bleibt. Das Forscherteam hat nun ein Patent auf seine Ergebnisse angemeldet.

„Die Entdeckung von Leben tief in den Felsen 4.100 Fuß unter der Oberfläche in SURF war aufregend“, sagte Tanvi Govil, Ph.D., ein Assistenzprofessor im Karen M. Swindler Department of Chemical and Biological Engineering in Mines. „Wir können uns glücklich schätzen, dass SURF diese außergewöhnlichen Mikroben beherbergt, die in dieser extremen unterirdischen Umgebung ohne Licht, mit wenig Nahrung und begrenztem Raum überlebt haben.“

Dr. Rajesh Sani, Professor am Karen M. Swindler Department of Chemical and Biological Engineering in Mines, ist der Ansicht, dass die Entdeckung dieser unterirdischen Mikroben, die den Abbau von CO2 auf biologische Weise beschleunigen, den multidisziplinären Bemühungen bei dieser Forschung zu verdanken ist. „Die Zusammenarbeit in einer unterstützenden und kollaborativen Teamstruktur, an der Mikrobiologen, Geochemiker und Umweltwissenschaftler mit gemeinsamer Verantwortung beteiligt sind, ist der Schlüssel zur Stärkung des Klimaschutzes“, so Sani. Die Ergebnisse könnten zu neuen Möglichkeiten führen, CO2-Emissionen dauerhaft zu binden und so die Auswirkungen des Klimawandels zu verringern.

„Dies hilft nicht nur bei der Bewältigung der Klimakrise, sondern hat auch das Potenzial, die wirtschaftliche Entwicklung durch mikrobiell beschleunigte Kohlenstoffbindung anzukurbeln“, sagte Bret Lingwall, Ph.D., außerordentlicher Professor am Department of Civil and Environmental Engineering in Mines.

Das Forscherteam hat nun ein Patent auf seine Ergebnisse angemeldet. Von der Patentanmeldung hängen ausführlichere wissenschaftliche Veröffentlichungen über die Arbeit ab. Das Team hat seine Forschungsergebnisse bereits auf mehreren wissenschaftlichen Konferenzen in den Vereinigten Staaten und Europa vorgestellt, darunter im Rahmen der Tagung der American Geophysical Union im Dezember 2023 in San Fancisco und der Goldschmidt-Konferenz im Juli 2023 in Lyon, Frankreich.

Laut Ustunisik könnte in der nächsten Forschungsphase der Versuch unternommen werden, die Mikroben zur CO2-Bindung im Feld einzusetzen. Das Team von South Dakota Mines bemüht sich um eine Finanzierung, um diese Forschung fortzusetzen. Laut Ustunisik ist die Zieltiefe für eine Testbohrung etwa eine Meile tief, wo das Gestein zwischen 80 und 100 Grad Celsius haben kann. Sie sagt, dass es kein Problem sein sollte, einen geeigneten Standort zu finden, um diese Forschung fortzusetzen.

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