Forschende haben in Mikroben des Rinderdarms ein bisher unbekanntes Zellkompartiment entdeckt. Es trägt dazu bei, dass Rinder und andere Nutztiere nach der Verdauung Methan freisetzen.
Der Fund macht ein hartnäckiges Klimaproblem der Landwirtschaft genauer fassbar: Der mögliche Ansatzpunkt liegt im Inneren einzelliger Organismen, die an den Vorgängen im Pansen beteiligt sind.
Eine verborgene Methanquelle im Pansen
Im Mittelpunkt der Entdeckung stehen Wimperntierchen im Pansen, der grössten Magenkammer des Rindes. Diese einzelligen Mikroben besitzen bewegliche Härchen und leben dort zusammen mit methanbildenden Partnern.
Dr. Fei Xie und Mitarbeitende am Institut für Hydrobiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (IHB) zeigten, dass das neu entdeckte Organell die Methanproduktion mit Wasserstoff versorgt.
Damit lässt sich die Ursache genauer eingrenzen, ohne das gesamte Verdauungssystem dafür verantwortlich zu machen: Die Struktur erzeugt selbst kein Methan, sondern unterstützt Mikroben, die es bilden.
Ein so präziser Ansatzpunkt könnte Forschenden helfen, Emissionen zu senken und zugleich die normale Verdauung zu erhalten, die Rinder für Gesundheit und Leistung benötigen.
Vorgänge im Rindermagen
Rinder vergären ihr Futter zunächst im Pansen, der grossen ersten Magenkammer, bevor die weitere Verdauung einsetzt.
Bei dieser Gärung wird Energie aus Gras und Getreide freigesetzt. Dabei bleibt jedoch auch Wasserstoff zurück, den andere Mikroben verwerten können.
Zu diesen Partnern zählen methanogene Archaeen: einzellige Lebewesen, die in sauerstoffarmen Bereichen Wasserstoff mit Kohlenstoffverbindungen zu Methan umsetzen.
Der Vorgang ermöglicht Rindern die Verwertung schwer verdaulicher Pflanzen. Gleichzeitig gelangt das wärmespeichernde Gas über Atemluft und Rülpsen in die Atmosphäre.
Warum Methan das Klima belastet
Für das Klima ist das besonders bedeutsam, weil Methan während seiner kurzen Verweildauer in der Atmosphäre deutlich mehr Wärme zurückhält als Kohlendioxid.
Die US-amerikanische Umweltschutzbehörde EPA schätzt die Erwärmungswirkung von Methan über einen Zeitraum von 100 Jahren auf das 27- bis 30-Fache jener von Kohlendioxid.
Eine Verringerung der Methanmenge kann dem Klima daher rascher nützen als die alleinige Reduktion von Gasen, die jahrhundertelang in der Atmosphäre bleiben.
Bei Emissionen aus der Nutztierhaltung kommt es folglich darauf an, den Gasausstoss zu senken, ohne Tieren, landwirtschaftlichen Betrieben oder der Lebensmittelproduktion zu schaden.
Ein umfangreicherer Genomkatalog
Um die Zellstruktur zu finden, brauchten die Forschenden bessere DNA-Daten zu Organismen, die frühere Methoden häufig übersahen oder zusammenfassten.
Xies Mitarbeitende am IHB erstellten dafür einen Genomkatalog der Wimperntierchen im Pansen. Dieser DNA-Referenzdatensatz umfasst mehrere wiederkäuende Wirtsarten.
„Wir stellen einen Katalog von 450 Genomen von Pansen-Wimperntierchen vor, von denen 87% neu erstellt wurden“, schrieben die Forschenden.
Auf dieser Grundlage konnte das Team feststellen, welche Wimperntierchen vorhanden und aktiv waren, und diese Angaben mit den bei lebenden Kühen gemessenen Gasmengen in Beziehung setzen.
Wasserstoff verändert die Bedingungen
Die Entdeckung führte die Forschenden zum sogenannten Wasserstoffkörperchen, einem neu benannten Zellkompartiment, das in Pansen-Wimperntierchen Wasserstoff erzeugt.
Eine einzelne umgebende Membran hält wichtige Proteine zusammen. Proteine, die Sauerstoff entfernen, sorgen zugleich dafür, dass die unmittelbare Umgebung innerhalb der geschäftigen Zelle sauerstoffarm bleibt.
Dieses chemische Zusammenspiel schafft für methanbildende Archaeen in der Nähe die sauerstoffarmen Bedingungen, unter denen sie effizienter arbeiten können.
Statt alle Darmmikroben gleich zu behandeln, können Forschende dank des Fundes einen bestimmten Zellprozess gezielt untersuchen.
Verschiedene Wimperntierchen, unterschiedliche Methanmengen
Der Einfluss auf die Methanmenge unterschied sich zwischen den Wimperntierchenarten nach einem klaren Muster, das mit der Gestaltung ihrer Oberfläche zusammenhing.
Wimperntierchen der Gruppe Vestibuliferida, deren Oberfläche grossflächiger mit haarartigen Strukturen bedeckt ist, besassen mehr Wasserstoffkörperchen als jene der weniger stark bedeckten Gruppe Entodiniomorphida.
Eine grössere Zahl dieser Zellstrukturen ging mit stärkerer Wasserstoffbildung und Sauerstoffentfernung einher. Das begünstigte eine höhere Methanproduktion im Pansen.
Die Unterschiede helfen zu erklären, weshalb bei ähnlicher Haltung ein Tier aufgrund seiner mikrobiellen Zusammensetzung mehr Gas ausstossen kann als ein anderes.
Eine Strategie, die noch geprüft werden muss
Ein brauchbares Mittel gegen Methan würde den Pansen nicht einfach sterilisieren oder sämtliche Mikroben zurückdrängen. Darmmikroben helfen den Tieren, faserreiche Pflanzen in verwertbare Nährstoffe umzuwandeln; breit angelegte Eingriffe könnten deshalb nach hinten losgehen.
Ein gezielter Eingriff bei Wimperntierchen mit vielen Wasserstoffkörperchen könnte die Wasserstoffversorgung verringern und die notwendige Verdauung zugleich weniger stark beeinträchtigen.
Dabei handelt es sich weiterhin um eine zu prüfende Strategie und nicht um eine bereits verfügbare Behandlung für Stall, Weide und Mastbetriebe.
Für den Einsatz in der Praxis wären Verfahren nötig, die die Aktivität der Wimperntierchen sicher, wiederholbar und in grossem Massstab verändern.
Futterzusätze oder eine gezielte Steuerung der Mikroben kämen erst infrage, wenn kontrollierte Tierversuche messbare Verringerungen in tatsächlichen Herden belegen.
Jeder Ansatz muss unter alltäglichen Produktionsbedingungen gleichzeitig Milchmenge, Gewichtszunahme, Fruchtbarkeit, Gesundheit und Methan erfassen. Eine Klimalösung, die zu viel Futtereffizienz kostet, hätte auf Betrieben mit knappen Margen keinen dauerhaften Bestand.
Grenzen der Studie und künftige Forschung
Vorsicht ist auch deshalb geboten, weil sich die biologischen Vorgänge rund um Methan je nach Fütterung, Rasse, Alter, Jahreszeit und Betriebsbedingungen verändern.
Das Team setzte die Muster der Wimperntierchen mit 1.877 Multi-Omics-Datensätzen, also verknüpften DNA- und Aktivitätsdaten, sowie direkten Methanmessungen bei 100 Milchkühen in Beziehung.
Diese Zahlen verleihen der Entdeckung Gewicht. Sie beweisen aber nicht, dass jede Herde gleich reagieren wird.
Weitere Untersuchungen müssen klären, ob Veränderungen an den Wasserstoffkörperchen die Emissionen in unterschiedlichen Fütterungssystemen senken, ohne neue Probleme bei der Verdauung oder Tiergesundheit auszulösen.
Die verborgene Struktur in Pansen-Wimperntierchen verbindet nun Zellchemie, mikrobielle Partnerschaften und Methan aus der Nutztierhaltung zu einer nachvollziehbaren Abfolge biologischer Vorgänge im Betrieb.
Diese Abfolge bietet Forschenden einen genaueren Ansatzpunkt. Offen bleibt jedoch die schwierige Aufgabe, Emissionssenkungen für landwirtschaftliche Betriebe sicher, leistbar und dauerhaft umzusetzen.
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