title: Einflüsse auf die Kohlenstoffisotopenfraktionierung in methanogenen Systemen
title: Influences on the carbon isotope fractionation in methanogenic systems
Creators: name: Penger, Jörn Sebastian
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Carbon isotope fractionation
Kohlenstoffisotopenfraktionierung
Biowissenschaften, Biologie
Methanogenesis
Methanogenese
Isotopenhäufigkeit
Methangärung
Methanol

description: Methane is one of most relevant
      greenhouse gases in the atmosphere. It is formed as the final
      product of the degradation of organic material in many anoxic
      habitats. In rice field soils and wetlands methane is
      predominantly formed by acetoclastic and hydrogenotrophic
      methanogenic archaea. However, some methanogens can use C1
      compounds such as methanol as substrate. To determine the
      pathways involved in the methane production the carbon
      isotope signature of the substrates and the released methane
      can be used. But for quantification it is necessary to know
      the fraction factors of the involved microbial groups. In the
      past, most of the data were collected for hydrogenotrophic
      and acetoclastic pure cultures. However, the level of
      information regarding the methanogenesis on methanol was very
      low. Because soil samples are usually incubated in closed
      systems, we additionally wanted to check, if the previously
      reported data within open systems for hydrogenotrophic and
      methylotrophic pure cultures can be transferred to closed
      systems. During the conversion of methanol to methane in
      Methanosarcina acetivorans, Methanosarcina barkeri and
      Methanolobus zinderi similarly large fractionation factors
      (-83‰ to -72‰), as previously reported for open systems (-83‰
      to -79‰), could be observed. The fractionation factors for
      the investigated hydrogenotrophic methanogens (-38‰ to -31‰),
      Methanothermobacter marburgensis and Methanothermobacter
      thermautotrophicus, during the conversion of H2/CO2 to
      methane in carbonate-buffered and carbonate-free medium
      likewise confirmed the data obtained in open systems (60 ‰ to
      28 ‰). Compared to the hydrogenotrophic methanogens the
      homoacetogen Thermoanaerobacter kivui which also grows on
      H2/CO2 in a closed system revealed slightly lower
      fractionation factors (44‰ to 41‰). A change of the
      incubation temperature showed for the five examined
      methanogens and the analyzed homoacetogenic microorganism in
      different buffer systems no influence on the carbon isotope
      signatures. In consequence no dependence of the fractionation
      factor to the incubation temperature could be observed.
      Furthermore, during the hydrogenotrophic methanogenesis in M.
      marburgensis a great stability of the fractionation factor
      with respect to the pH of the medium could be detected. Thus,
      for the quantification of the in methane production involved
      pathways in soil samples these factors can be largely
      neglected. By the use of selective inhibitors the different
      methanogenic pathways can be differentiated. It was
      previously believed that addition of methyl fluoride as an
      inhibitor of acetoclastic methanogenesis results in carbon
      isotopic signature dominated by hydrogenotrophic produced
      methane. However, the addition of methyl fluoride does not
      influence the fractionation factor of methylotrophic
      methanogenesis and so in the presence of methyl fluoride
      produced "light" methane could also be produced by
      methylotrophic and not only by hydrogenotrophic
      methanogenesis.
description: In unserer Atmosphäre stellt Methan
      eines der klimarelevantesten Treibhausgase dar. Es entsteht
      als Endprodukt des Abbaus von organischem Material in vielen
      anoxischen Habitaten. Innerhalb von Reisfeldböden und
      Feuchtgebieten wird Methan größtenteils durch acetoklastische
      und hydrogenotrophe methanogene Archaeen gebildet. Einige
      dieser Methanogenen können allerdings auch C1-Verbindungen
      wie Methanol als Substrat nutzen. Über die an der
      Methanproduktion beteiligten Stoffwechselwege kann die
      Kohlenstoffisotopensignatur der Substrate und des
      freigesetzten Methans Aufschluss geben. Für eine
      Quantifizierung müssen allerdings die
      Fraktionierungskoeffizienten der beteiligten mikrobiellen
      Gruppen bekannt sein. In der Vergangenheit wurden die meisten
      Daten für hydrogenotrophe und acetoklastische Reinkulturen
      erhoben. Der Informationsstand bezüglich der Methanogenese
      auf Methanol war hingegen sehr gering. Da Bodenproben meist
      in geschlossen Systemen inkubiert werden, sollte zusätzlich
      überprüft werden, ob sich die zuvor für hydrogenotrophe und
      methylotrophe Reinkulturen innerhalb offener Systeme
      erhaltenen Daten auf geschlossene Systeme übertragen lassen.
      Bei der Umwandlung von Methanol zu Methan konnten in
      Methanosarcina acetivorans, Methanosarcina barkeri und
      Methanolobus zinderi ähnlich starke
      Fraktionierungskoeffizienten ( 83‰ bis 72‰) beobachtet werden
      wie sie zuvor für das offene System ( 83‰ bis 79‰)
      beschrieben wurden. Für die untersuchten hydrogenotrophen
      Methanogenen, Methanothermobacter marburgensis und
      Methanothermobacter thermautotrophicus, konnte bei der
      Umsetzung von H2/CO2 zu Methan sowohl in carbonathaltigem als
      auch in carbonatfreien Medium ebenfalls eine Übereinstimmung
      der Fraktionierungskoeffizienten ( 38‰ bis 31‰) mit den
      bisher nur in offenen Systemen ( 60‰ bis 28‰) beschriebenen
      Daten erhalten werden. Für den ebenfalls H2/CO2 als Substrat
      verwendenden Homoacetogenen Thermoanaerobacter kivui wurden
      im geschlossenen System etwas niedrigere
      Fraktionierungskoeffizienten ( 44‰ bis 41‰) festgestellt als
      für die hier untersuchten, hydrogenotrophen Methanogenen.
      Eine Veränderung der Inkubationstemperatur zeigte bei den
      fünf untersuchten Methanogenen sowie bei dem untersuchten
      homoacetogenen Mikroorganismus auch in unterschiedlichen
      Puffersystemen keinen Einfluss auf die
      Kohlenstoffisotopensignatur. In Folge dessen konnte auch
      keine Abhängigkeit des Fraktionierungskoeffizienten zur
      Inkubationstemperatur beobachtet werden. Weiterhin konnte bei
      der hydrogenotrophen Methanogenese in M. marburgensis eine
      große Stabilität des Fraktionierungskoeffizienten gegenüber
      dem pH-Wert des Mediums festgestellt werden. Somit können bei
      einer Quantifizierung der an der Methanproduktion beteiligten
      Stoffwechselwege in Bodenproben diese Faktoren weitestgehend
      vernachlässigt werden. Durch die Verwendung selektiver
      Inhibitoren können zusätzliche Informationen zur
      Quantifizierung der an der Methanproduktion beteiligten
      Stoffwechselwege erhalten werden. Es wurde bisher angenommen,
      dass durch die Zugabe von Methylfluorid als Inhibitor der
      acetoklastischen Methanogenese lediglich die
      Kohlenstoffisotopensignatur des durch hydrogenotrophe
      Methanogenese erzeugten Methans erhalten wird. Da aber die
      Zugabe von Methylfluorid den Fraktionierungskoeffizienten der
      methylotrophen Methanogenese nicht beeinflusste, kann in
      Gegenwart von Methylfluorid produziertes „leichtes“ Methan
      aufgrund der starken Fraktionierung auch durch methylotrophe
      und nicht nur durch hydrogenotrophe Methanogenese erzeugt
      werden.