Die Syngas-Biomethanisierung, bei der Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff in erneuerbares Methan umgewandelt werden, hängt von sorgfältig ausbalancierten mikrobiellen Wechselwirkungen ab. Eine neue Studie zeigt, dass ein Überschuss an Wasserstoff dieses Gleichgewicht stört, die Effizienz der Methanogenese erheblich reduziert und bedeutende Verschiebungen im mikrobiellen Stoffwechsel und in der viralen Dynamik innerhalb des Mikrobioms auslöst. Diese Ergebnisse liefern entscheidende molekulare Einblicke für die Optimierung der industriellen Produktion von erneuerbarem Methan aus biomassebasiertem Syngas.
Forscher der Universität Padua haben ihre Untersuchung in einer 2025 als Early-Access-Studie in Environmental Science and Ecotechnology veröffentlichten Arbeit detailliert (DOI: 10.1016/j.ese.2025.100637). Mithilfe von genomaufgelöster Metagenomik, Metatranskriptomik und Virom-Profilierung überwachten das Team thermophile anaerobe Mikrobiome, während sich die Syngas-Zusammensetzung von optimalen Verhältnissen zu wasserstoffreichen Bedingungen verschob. Die Arbeit wurde vom LIFE+-Programm der Europäischen Union und dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 unterstützt.
Bei nahezu optimalen Gasverhältnissen verbesserte sich die Methanausbeute und das dominante Methanogen, Methanothermobacter thermautotrophicus, hielt eine stabile Genexpression aufrecht. Wenn jedoch die Wasserstoffzufuhr den stöchiometrischen Bedarf überstieg, nahm die Methanproduktion ab. Die Transkriptomanalyse zeigte eine starke metabolische Repression, wobei wichtige Methanogenese-Gene – einschließlich mcr, hdr, mvh und Enzyme im CO₂-zu-CH₄-Reduktionsweg – deutlich herunterreguliert wurden.
Gleichzeitig aktivierte M. thermautotrophicus antivirale Abwehrsysteme und regulierte CRISPR-Cas, Restriktions-Modifikations-Gene und Stressmarker wie ftsZ hoch. Die Virom-Kartierung identifizierte 190 Virusspezies, darunter Phagen, die mit wichtigen Methanogenen und Acetogenen assoziiert sind. Einige Viren zeigten reduzierte Aktivität, was auf eine abwehrbedingte Unterdrückung hindeutet, während andere aktive Replikationsmuster aufwiesen. Dies unterstreicht eine bisher übersehene ökologische Dimension der Biomethanisierungs-Effizienz.
Im Gegensatz dazu steigerten mehrere acetogene Taxa, darunter Tepidanaerobacteraceae, die Expression von Genen des Wood-Ljungdahl-Stoffwechselwegs (cdh, acs, cooF, cooS), um die Fixierung von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid zu erhöhen und als alternative Elektronensenken zu fungieren. Diese metabolische Umprogrammierung deutet auf einen Wechsel von der Methanogenese zu einem kohlenstofffixierungsdominierten Stoffwechsel unter Wasserstoffüberschuss hin.
Die Autoren betonen, dass ein Wasserstoffüberschuss einen regulatorischen Engpass schafft, der Methanogene in einen Stressmodus versetzt, während Acetogene die Kohlenstoffverwertung übernehmen können. Sie weisen darauf hin, dass virale Interaktionen eine große Rolle bei der Gestaltung der Gemeinschaftsstabilität spielen, wobei die Aktivierung von CRISPR-Cas und die Phagenunterdrückung einen Abwehrzustand anzeigen, der im Bioreaktordesign berücksichtigt werden muss.
Diese Forschung liefert molekulare Belege dafür, dass ein Wasserstoffüberschuss die Methanproduktion destabilisieren kann, und unterstreicht die Notwendigkeit einer präzisen Gasverhältnis-Kontrolle in industriellen Reaktoren. Das Verständnis, wie mikrobielle Populationen unter Stress umprogrammiert werden, kann die Entwicklung widerstandsfähigerer Biomethanisierungssysteme leiten und so auch bei variablen Ausgangsstoffen konsistente Biomethanerträge ermöglichen. Die Einblicke in Phagen-Mikroben-Interaktionen deuten zudem auf das Potenzial für virombewusste Reaktormanagement-Strategien hin, einschließlich der Gestaltung mikrobieller Gemeinschaften, der Phagenüberwachung oder antiviraler Interventionen. Diese Erkenntnisse unterstützen die zukünftige Entwicklung von CO₂-neutralen Gas-zu-Energie-Technologien und skalierbaren Abfall-zu-Ressourcen-Plattformen und tragen so zum Übergang zu zirkulären Energiesystemen bei.
