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Biotechnologie HAW Forscherteam erweckt Ur-Mikroben zum Leben

HAW Forscherteam erweckt Ur-Mikroben zum Leben

Prof. Dr. Paul Scherer, Dr. Sandra Off und die wissenschaftliche Mitarbeiterin Katarina Wegner betätigen sich am Department Biotechnologie der HAW Hamburg erfolgreich als „Mikrobenjäger“. Jetzt haben sie tatsächlich extrem seltene Ur-Mikroben wieder zum Leben erweckt.

„Unsere Arbeitsgruppe Biogas im Forschungsverbund »Biomassenutzung Hamburg« versucht, leistungsfähige und effiziente Mikroben zu finden, denn sie sind die »Arbeitsbienen« in der Umweltbiotechnologie“, erklärt Projektleiter Prof. Dr. Paul Scherer. „In der Mikrobiologie gibt es zwei wichtige Temperaturbereiche. Der „mesophile“ Bereich liegt ungefähr bei 37°C. Er wird von „probiotischen“ und leider auch von unerwünschten, potentiell pathogenen Bakterien benötigt. Um diese potentiell schädlichen Bakterien auszugrenzen, werden die Fermenter in unserer Arbeitsgruppe Biogas meist im „thermophilen“ Temperaturbereich bei 55°C und höher betrieben, was vielfach noch wissenschaftliches Neuland ist. Und in diesem Neuland konnten wir eine besondere Entdeckung machen: Archaeen, auch Ur-Mikroben genannt, die bisher nur ein einziges Mal in Japan gefunden wurden“, so Professor Scherer.

Archaeen sind wahrscheinlich die ältesten Fossilien der Welt

Mikroben, die heiße und unwirtliche Bedingungen mögen, sind eng verwandt mit denjenigen Kleinstlebewesen, die die Urerde vor über 3,5 Milliarden Jahren bevölkerten. Damals war die Erde noch mit glühenden Vulkanen überzogen und der Urozean hatte sich gerade gebildet. Man vermutet, dass diese Ur-Bakterien, auch „Archaeen“ genannt, sich lediglich von Wasserdampf, Wasserstoff und Kohlenmonoxid der Uratmosphäre sowie von Mineralsalzen ernährten. Auch Schwefelwasserstoff war reichlich vorhanden. Sauerstoff aus der Photosynthese gab es dagegen noch nicht auf unserem Planeten. Diese Archaeen sind vermutlich die ältesten Fossilien der Welt und einige von ihnen existieren offenbar immer noch. Erst Mitte 2015 hat man in der Tiefsee in heißen marinen Quellen bisher unbekannte Archaeen gefunden, denen man sogar in der Evolution die Urahnenschaft der Vielzeller nachsagt, also auch die des Menschen.

Japanisches Forscherteam entdeckte Archaeen

Vor einigen Jahren gelang es erstmals Mikrobiologen in Japan, exakt diese Urmikroben aus einem etwa 800 Meter tiefen Erdgas-Bohrloch Methan bildende Archaeen als Reinkultur zu isolieren (Temperatur 70-80°C). Ihre Vitalität war so, als ob sie gerade bei ihrer Millionen Jahre langen Tätigkeit gestört worden wären. Für diese Entdeckung benötigten die Japaner unter anderem ein mikrobiologisches Speziallabor, weil so genannte „Methanbildner“ in Reinkultur extrem sauerstoffempfindlich sind.

Wurde in Hamburg tatsächlich der Fußabdruck der gleichen Archaeen wie in Japan entdeckt?

Exakt von diesen thermophilen Methanbildnern hat nun die Hamburger Mikrobiologin Dr. Sandra Off zum ersten Mal einen genetischen „Fußabdruck“ entdeckt; und zwar zuerst mithilfe molekularbiologischer Gensonden in einem harmlosen, thermophilen Labor-Biogasfermenter mit Futterrübenmus. Da Archaeen nicht selbsttätig fliegen, höchstens schwimmen können und sie auch keine Dauerformen, wie zum Beispiel Sporen besitzen, stellt sich die Frage, ob die Hamburger Mikrobenjäger tatsächlich aus dem Biogasfermenter die gleiche Archaeen-Art wie in Japan aus dem Bohrloch entdeckt haben?

Sandra Off und Katarina Wegner entdeckten das gleiche Archaeon ebenfalls in einer thermophilen Gras-Pilot-Biogasanlage der Firma Bi.En GmbH & Co. KG in Borgstedtfelde bei Kiel (Verbundprojekt GrasBiogas der HAW Hamburg), isolierten es in Reinkultur und machten es damit „dingfest“. Diesmal konnten sie mit der sogenannten „Next Generation Sequencing“ (NGS) Technik, der modernsten Technik auf diesem Gebiet, einen positiven „Vaterschaftstest“ zum Bohrlochbewohner aus Japan absichern. Das „Hamburger“ Archaeon ist also tatsächlich der gleiche Methanbildner, der vorher weltweit bislang nur einziges Mal von der japanischen Forschergruppe beschrieben wurde.

Suche nach der Ursache. Was ist grundlegend identisch oder anders zwischen Hamburg und Japan?

Nun gibt es in Deutschland etwa 8500 Biogasanlagen. Etwa 10 Prozent davon werden auch thermophil betrieben. Zahlreiche dieser technischen Biogasanlagen wurden von unterschiedlichen Forschergruppen in den letzten Jahren intensiv mikrobiologisch und molekularbiologisch untersucht. Aber in keiner einzigen dieser wissenschaftlichen Arbeiten tauchte das Archaeon aus dem japanischen Bohrloch auf. Was also ist die Ursache und damit des Rätsels Lösung für das geheimnisvolle Vorkommen hier in Hamburg beziehungsweise Norddeutschland?

Nebst der hohen Temperatur liegt in „Gülle-Biogasanlagen“ sowie in Bioabfall-Biogasanlagen eine hohe Salzfracht vor. In Biogasanlagen weisen diese einen Salzgehalt auf, der mit dem Salzgehalt der Ostsee in der Kieler Bucht vergleichbar wäre. Das allein ist also nichts Außergewöhnliches. Denn hohe Gehalte der wertvollen Düngesalze weisen alle Biogasanlagen für Gülle und Bioabfälle auf. Dass das japanische Ur-Mikrobium in Hamburg und Umgebung sicherlich nach tausenden, wenn nicht Millionen Jahren wieder zum Leben erweckt wurde, muss an etwas ganz Besonderem liegen.

Hoher Schwefelwasserstoffgehalt könnte die Ursache sein

Die Arbeitsgruppe um Professor Scherer vermutet, dass der außergewöhnlich hohe Schwefelwasserstoffgehalt bei Gras und Futterrübe als Substrat im Fermenter und damit auch im entstehenden Gas ausschlaggebend ist, nebst hoher Temperatur und Salzfracht. Normalerweise senkt man für die Stromgewinnung in Gasmotoren den freien Gehalt von Schwelwasserstoff durch Zugabe von Eisensalzen ab, was im Labor und in der thermophilen Pilot-Gras-Biogasanlage ausnahmsweise nicht der Fall war: Gehalte von über 1000 ppm Schwefelwasserstoff (H2S) im Biogas waren die Regel. Dadurch ergab sich vermutlich die einmalige Chance, diese extrem seltenen und offenbar unverwüstlichen Ur-Mikroben an der HAW Hamburg nochmals zum Leben zu erwecken.

Gibt es eine aktuelle technische Anwendung für das einzigartige Urbakterium?

Der Energiepark Pirmasens betreibt die bundesweit größte Methanisierungsalage, um mikrobiell mit einem 60°C Methanbildner speicherfähiges Flüssiggas aus Elektrolysewasserstoff zu bilden, der aus Überschussstrom hergestellt wird. Man ist derzeit sogar auf der Suche nach einem neuen >60°C Methanbildner und damit nach einem patentfähigen Prozess (BiogasJournal 1/2017, S.51). Dieser noch „heißere“ Organismus der HAW würde sich daher hervorragend für einen solchen Prozess eignen. Aber auch das CC4E der HAW betreibt versuchsweise einen „Power to Gas“ Fermenter zur mikrobiellen Methanisierung. Ein hauseigenes Urbakterium der HAW stände zur Verfügung.

(Autoren: Ina Nachtweh/Paul Scherer)

Weitere Informationen

Prof. Dr. Paul Scherer
Fakultät Life Sciences
Tel. 040.42875-6355
paul.scherer(@)haw-hamburg.de

www.haw-hamburg.de/ls/fsp-biomassenutzung
www.haw-hamburg.de/fakultaeten-und-departments/ls/studium-und-lehre/labore/labor-biogas/biogas-engineering