Die Bakterien, die Kohlenstoff einfangen können

Da die weltweiten Treibhausgasemissionen im vergangenen Jahr ein Allzeithoch erreichten, argumentieren viele Wissenschaftler und Weltführer nun, dass neue Technologien erforderlich sind, mit denen Kohlenstoff abgeschieden und unter der Erde gespeichert werden kann, um der Welt dabei zu helfen, ihre Klimaziele zu erreichen.

Und einige glauben, dass die Natur eine wirksame Lösung bieten könnte. Mikroben – die winzigen Organismen, die überall um uns herum vorkommen, aber mit bloßem Auge unsichtbar sind – spielen eine entscheidende Rolle bei der Bindung von Kohlenstoff und der Beeinflussung des Klimas. Darüber hinaus könnten sie auch zur Bewältigung anderer Umweltprobleme genutzt werden – etwa des drastischen Rückgangs der Bestäuberpopulationen.

Wissenschaftler haben kürzlich vor der Küste einer Vulkaninsel in der Nähe von Sizilien eine Mikrobe, eine Art Cyanobakterien, entdeckt, die „erstaunlich schnell“ Kohlendioxid (CO2) frisst.

Die Insel Vulcano ist von Unterwasser-Hydrothermalquellen umgeben, die reiche CO2-Quellen sind. Diese Entlüftungsöffnungen befinden sich im flachen Wasser, was bedeutet, dass sie dem Sonnenlicht ausgesetzt sind (im Gegensatz zu Entlüftungsöffnungen in der Tiefsee). All dies hat die perfekte Umgebung für die Entwicklung von Mikroben geschaffen, die CO2 als Nahrungsquelle nutzen.

Die im September 2022 hier gefundenen Mikroben sind „überaus effizient beim Verbrauch von CO2 durch Photosynthese“, sagt Braden Tierney, Datenwissenschaftler mit Schwerpunkt Mikrobiologie am Weill Cornell Medical College und der Harvard Medical School und Geschäftsführer des Two Frontiers Project, das die Leitung innehatte die Forschung. Das Projekt wurde vom US-Biotechnologieunternehmen Seed Health finanziert, das Tierney als Berater beschäftigt.

Zusammen mit einem Forscherteam der Universitäten Harvard und Cornell in den USA sowie der Universität Palermo auf Sizilien und mit Hilfe der Vulcano-Gemeinschaft isolierte Tierney eine Mikrobe, die CO2 schneller in Biomasse umwandelte als andere bekannte Cyanobakterien. Eine Studie mit den Ergebnissen wird später in diesem Jahr veröffentlicht.

Wissenschaftler entdeckten vor der Küste einer Vulkaninsel in der Nähe von Sizilien eine Art Cyanobakterien, die „erstaunlich schnell“ CO2 frisst (Quelle: Getty Images)

Cyanobakterien sind eine Art von Bakterien, die Photosynthese nutzen, um Energie zu gewinnen und dabei Kohlenstoff einzufangen, und der neue Stamm ist „einer der am schnellsten wachsenden Cyanobakterien …, über die jemals berichtet wurde“, sagt Tierney. Er bezeichnet Cyanobakterien als „kleine Alchemisten der Natur“, da sie große Mengen CO2 aufnehmen und in nützliche Ressourcen wie Kraftstoffe oder biologisch abbaubare Kunststoffe umwandeln können.

„Erste Daten zeigten, dass [dieser neue Stamm] 22 % mehr Biomasse erzeugte als die anderen am schnellsten wachsenden Stämme da draußen“, sagt Tierney. Wenn es dichter und schwerer werde, versinke die Mikrobe im Wasser, was ihr dabei helfe, das aufgenommene CO2 zu binden, sagt er.

Das Kohlenstoffabscheidungspotenzial von Cyanobakterien ist bereits umfassend untersucht. Was diese Entdeckung „wirklich bemerkenswert“ macht, ist die Tatsache, dass der Cyanobakterienstamm CO2 so schnell absorbieren kann, sagt Helen Onyeaka, Industriemikrobiologin und außerordentliche Professorin an der Universität Birmingham im Vereinigten Königreich.

„Obwohl Mikroben erforscht wurden, die schnell CO2 verbrauchen, scheint die Absorptionsrate dieses speziellen Stamms beispiellos zu sein“, sagt sie.

Eine „lebende Datenbank“

In diesem Jahr sind Tierney und sein Team auch in die Rocky Mountains in Colorado gereist, um nach weiteren kohlenstofffressenden Mikroben zu suchen. Die Region sei „eine Brutstätte für kohlensäurehaltige Quellen“ und die gelösten CO2-Konzentrationen seien bis zu tausendmal höher als in Siziliens vulkanischen Quellen, so die Forscher. Tierney sagt, sie hätten hier Mikrobenstämme mit „viel höheren CO2-Werten als das, was wir tatsächlich in Sizilien gesehen haben“ isoliert.

Das Team erstellt eine „lebende Datenbank“, die anderen Wissenschaftlern weltweit zur Verfügung stehen wird und es ihnen ermöglicht, DNA-Sequenzen mit den gespeicherten Bakterienproben zu verknüpfen und so die Mikroben noch lange nach Expeditionen weiter zu untersuchen.

Tierney sagt, dass die Erkenntnisse von Vulcano „unseren Blick auf Milliarden von Jahren der Evolution erweitern“. Aufgrund der Fähigkeit von Mikroben, sich an unterschiedliche Umweltbedingungen und Veränderungen auf dem Planeten anzupassen, ist er „zuversichtlich, dass in diesen Evolutionsprozessen die Werkzeuge liegen, die wir brauchen, um [den Klimawandel] anzugehen“.

Die Emissionen, die durch Reisen verursacht wurden, um über diese Geschichte zu berichten, beliefen sich auf 0 kg CO2. Die digitalen Emissionen dieser Geschichte betragen schätzungsweise 1,2 bis 3,6 g CO2 pro Seitenaufruf.Erfahren Sie hier mehr darüber, wie wir diese Zahl berechnet haben.

Wissenschaftler sagen, dass die Bekämpfung des Klimawandels eine groß angelegte Kohlenstoffabscheidung erfordert, die möglicherweise durch neue Technologien oder durch den Schutz und die Verbesserung bestehender natürlicher Ökosysteme wie Wälder, Torfmoore und Böden erreicht werden könnte. Letztes Jahr erklärte der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen (IPCC) der Vereinten Nationen, dass die Kohlenstoffabscheidung unerlässlich sei, da selbst große Reduzierungen der Emissionen nicht ausreichen würden, um die globale Erwärmung zu begrenzen. Obwohl einige Wissenschaftler warnen, dass dies Regierungen und Industrie einen ungerechtfertigten Vorwand bieten könnte, um die strengen Emissionssenkungen zu vermeiden, die zur Bekämpfung des Klimawandels erforderlich sind.

Tierney sagt, dass mikrobielle Lösungen genutzt werden sollten, um „im Einklang“ mit anderen Technologien und natürlichen Systemen zu arbeiten, um CO2 aus der Atmosphäre zu saugen.

Der Einsatz von Mikroben wie Cyanobakterien und Mikroalgen zur gezielten Kohlenstoffabscheidung „kann sehr vielversprechend sein“, sagt Kira Schipper, Forscherin am Zentrum für nachhaltige Entwicklung der Universität Katar. Sie wachsen viel schneller als herkömmliche Pflanzen, was bedeutet, dass sie im gleichen Zeitraum mehr Kohlenstoff binden, fügt sie hinzu.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass von Mikroben produzierte Biomasse „auf nicht landwirtschaftlich genutzten Flächen und im Meerwasser angebaut werden kann und somit nicht mit der Nahrungsmittelproduktion konkurriert“, sagt sie. Die Biomasse kann in großen Teichen oder Bioreaktoren angebaut und für Biokraftstoffe, Düngemittel, Proteinzusätze und Tierfutter verwendet werden.

Braden Tierney und sein Team entdeckten eine Mikrobe, die 22 % mehr Biomasse erzeugt als andere schnell wachsende Cyanobakterienstämme (Quelle: Seed Health / John Kowitz)

Der Einsatz von Mikroben zur Kohlenstoffabscheidung sei kostengünstiger als der Einsatz von Technologien wie der direkten Luftabscheidung, sagt Onyeaka.

„Mikrobielle Prozesse haben im Allgemeinen niedrige Betriebskosten im Vergleich zu technologischen Eingriffen zur Kohlenstoffabscheidung, die oft kapitalintensiv sein können“, sagt sie. Sie seien außerdem „von Natur aus skalierbar“, da Mikroben „in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden können, von offenen Teichen bis hin zu Bioreaktoren“, fügt sie hinzu.

Aber technologische Einschränkungen erschweren die Skalierung solcher Systeme, sagt Schipper. „Best Practices für die Auswahl der besten Sorten, deren großflächigen Anbau, einschließlich der Maximierung der absorbierten CO2-Menge, und die anschließende Ernte der Biomasse sind eine Herausforderung und variieren drastisch zwischen den Sorten und Standorten.“ Einige Unternehmen haben bereits mit der Implementierung von Systemen zur CO2-Abscheidung mithilfe von Mikroben begonnen. In den USA nutzt LanzaTech Bakterien, um CO2 in Flugtreibstoffe und Chemikalien umzuwandeln, die in Produkten von Waschmitteln bis hin zu Parfüms verwendet werden. Das britische Unternehmen CyanoCapture nutzt Cyanobakterien zur Herstellung biologischer Öle und Biomasse.

Medizinische Mikroben

Mikroben könnten neben ihrem Potenzial zur Kohlenstoffbindung auch eine Vielzahl anderer Vorteile für die Umwelt haben. Laut einer aktuellen kanadischen Studie könnten sie beispielsweise dazu beitragen, aussterbende Honigbienenpopulationen wiederzubeleben.

Die Bestäuberpopulationen gehen weltweit stetig zurück und die USA verzeichneten zwischen 2020 und 2021 die höchste jährliche Verlustrate bei Honigbienenvölkern aller Zeiten. (Weiterlesen:Können wir die Bienen retten, die die Welt ernähren?)

Der Mikrobiologe Brendan Daisley von der University of Guelph in Kanada machte sich daran, dieser „Insektenapokalypse“ entgegenzuwirken, indem er Probiotika entwickelte, die die Gesundheit der Bienen fördern.

Genau wie Menschen haben Bienen ein Mikrobiom und ein gesundes Gleichgewicht der Mikroben in ihrem Darm ist für ihre allgemeine Gesundheit von entscheidender Bedeutung. Studien zeigen, dass Pestizide und Antibiotika die Mikrobiota der Bienen schädigen und sich auf ihre Gesundheit auswirken.

Dies wirkt sich auch auf die Pflanzenproduktion und die Nahrungsmittelversorgung aus, warnt Daisley. „Es ist ein Kaskadeneffekt“, sagt er. Einer Studie aus dem Jahr 2020 zufolge schränkt ein Mangel an Bienen in 13 US-Bundesstaaten bereits das Angebot an bestimmten Nutzpflanzen ein, darunter Äpfel, Blaubeeren und Kirschen.

Durch gezielte Behandlung von Bienenstöcken mit Probiotika wollten die Wissenschaftler „das mikrobielle Gleichgewicht bei Honigbienen wiederherstellen“, sagt Daisley, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Seed Health. Zusammen mit einem Forscherteam der Western University und des Lawson Health Research Institute in Kanada lieferte er mithilfe eines Sprays und einer Pollenpasteteninfusion drei probiotische Stämme an mehr als 30 große kommerzielle Bienenstöcke in Kalifornien.

Beide Methoden erwiesen sich als äußerst wirksam bei der Abwehr bakterieller und pilzlicher Krankheitserreger.

Die Probiotika steigerten auch das Wachstum der gezielten Bienenstöcke, sagt Daisley.

In Zusammenarbeit mit Seed Health entwickeln die Wissenschaftler nun Patente für die Stämme.

Wissenschaftler haben gezeigt, dass Probiotika Krankheitserreger in Honigbienenstöcken abwehren können (Quelle: Getty Images)

Onyeaka warnt jedoch davor, dass wissenschaftliche Entwicklungen wie die Erprobung dieser Honigbienen-Probiotika und der in Vulcano entdeckten Cyanobakterien zwar vielversprechend seien, es aber wichtig sei, vorsichtig vorzugehen.

Das Einbringen von Mikroben in große Mengen in die Umwelt könnte die lokalen Ökosysteme stören, während die Kohlenstoffspeicherung möglicherweise nicht dauerhaft sei, sagt sie. „Wenn die Mikroben sterben, besteht die Möglichkeit, dass der Kohlenstoff wieder in die Umwelt freigesetzt wird, sofern keine weiteren Schritte unternommen werden.“

„Bevor der Einsatz mikrobieller Lösungen ausgeweitet wird, ist es unbedingt erforderlich, mögliche Auswirkungen auf die Umwelt zu verstehen. Wir müssen sicherstellen, dass die Heilung nicht schlimmer ist als die Krankheit“, fügt sie hinzu.

Dennoch hoffen Wissenschaftler, dass Mikroben dazu beitragen können, unseren Planeten gesünder und nachhaltiger zu machen.

„Im Vergleich zu anderen Lösungen zur Kohlenstoffabscheidung sind Mikroben unbegrenzt reproduzierbar“, sagt Tierney. „Obwohl es keinen Allheilmittel für die Bekämpfung des Klimawandels gibt, ist es wirklich spannend, einen Organismus zu finden, der ein wirklich leistungsstarker Motor für die Kohlenstoffabscheidung ist.“

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