Methanogeen: de microbe die methaan maakt – en misschien ooit raketbrandstof op Mars
Een methanogeen is een microscopisch kleine levensvorm die methaan produceert als bijproduct van zijn stofwisseling. Methaan is hetzelfde gas dat we kennen van aardgas en van de boeren van koeien. Vergelijk het met mensen: wij halen zuurstof binnen, verbranden suikers en ademen koolstofdioxide (CO2) uit. Methanogenen doen iets vergelijkbaars, maar dan zonder zuurstof: ze 'ademen' in feite methaan uit als restproduct van een heel andere vorm van stofwisseling.
Methanogenen leven overal waar zuurstof ontbreekt: in moerassen, rijstvelden, de bodem van meren, de diepe ondergrond, hete bronnen en de pens van koeien en schapen. Dat laatste verklaart meteen waarom koeien methaan uitstoten: niet de koe zelf maakt dat gas, maar de biljoenen methanogenen die in haar maag leven. Dezelfde microben staan sinds enkele decennia in de belangstelling van toekomstgerichte technologie, omdat ze mogelijk kunnen helpen bij het opslaan van groene energie en zelfs bij het maken van brandstof op Mars.
Wat is het precies?
Methanogenen zijn geen bacteriën, hoewel ze daar qua grootte op lijken. Ze horen bij de archaea, een apart domein van het leven dat in 1977 werd ontdekt door de microbioloog Carl Woese. Archaea zijn eencellig, hebben geen celkern, maar verschillen genetisch zo sterk van bacteriën dat wetenschappers ze als een eigen 'rijk' van het leven zien, naast bacteriën en organismen met een celkern (zoals planten, dieren en schimmels).
Het kenmerkende van methanogenen is hun stofwisseling, methanogenese genoemd. Ze leven volledig zonder zuurstof (anaeroob) en halen hun energie uit het omzetten van simpele moleculen zoals koolstofdioxide (CO2) en waterstofgas (H2), of soms azijnzuur, in methaan (CH4) en water. Vereenvoudigd ziet die reactie er zo uit: CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O. Voor de microbe is dit een manier om energie te winnen, vergelijkbaar met hoe wij energie winnen uit voedsel; methaan is daarbij simpelweg het afvalproduct.
Omdat ze geen zuurstof verdragen, vind je methanogenen alleen in zuurstofloze omgevingen: diep in moerasbodem, in de pens van herkauwers, in rioolslib, in permafrost en zelfs kilometers onder het aardoppervlak in gesteentelagen. Die laatste vindplaatsen maken methanogenen ook interessant voor onderzoek naar hoe leven op andere planeten eruit zou kunnen zien.
Wat wil men ermee bereiken?
Er zijn grofweg vier redenen waarom onderzoekers en bedrijven methanogenen bestuderen. De eerste is energieopslag. Zonne- en windenergie leveren niet altijd evenveel stroom als nodig is. Met overtollige groene stroom kun je via elektrolyse water splitsen in waterstof (H2) en zuurstof. Dat waterstofgas is echter lastig op te slaan en te vervoeren. Methanogenen kunnen die waterstof, samen met CO2, omzetten in methaan — een gas dat wél probleemloos in het bestaande aardgasnet past en in bestaande tanks en leidingen kan worden opgeslagen. Deze aanpak heet power-to-gas.
De tweede reden is ruimtevaart. Methaan is een uitstekende raketbrandstof (onder andere SpaceX gebruikt methaan voor zijn Raptor-motoren). Als je op Mars methanogenen zou kunnen laten groeien die lokaal CO2 (overvloedig aanwezig in de Marsatmosfeer) en waterstof (te winnen uit water in de bodem) omzetten in methaan, zou je ter plekke brandstof kunnen maken in plaats van alles vanaf de Aarde mee te slepen. Dit idee heet in-situ resource utilization (ISRU): het gebruiken van lokale grondstoffen in plaats van alles te importeren.
De derde reden is astrobiologie, de wetenschap die zoekt naar leven buiten de Aarde. In de atmosfeer van Mars en op de maan Titan is methaan aangetroffen. Omdat methaan op Aarde grotendeels door levende organismen zoals methanogenen wordt gemaakt, vragen wetenschappers zich af of dat elders ook zo zou kunnen zijn — al kan methaan ook door puur geologische processen ontstaan, zonder leven.
De vierde reden is klimaatonderzoek. Methaan is een krachtig broeikasgas, tientallen keren sterker dan CO2 over een periode van twintig jaar. Methanogenen in ontdooiende permafrost in het hoge noorden zouden door klimaatverandering actiever kunnen worden, wat weer extra opwarming zou kunnen veroorzaken — een zogeheten terugkoppelingslus die onderzoekers nauwlettend volgen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het BioCat-project in Avedøre, Denemarken, gebouwd door het bedrijf Electrochaea en operationeel sinds 2016, was een van de eerste grootschalige demonstraties van biologische power-to-gas. Hier zetten methanogenen in grote bioreactoren waterstof en CO2 om in methaan, dat direct het Deense aardgasnet in gaat.
In Duitsland bouwde het bedrijf MicrobEnergy, onderdeel van de Viessmann-groep, vergelijkbare installaties voor biologische methanisering, onder meer in Allendorf. Deze systemen worden gekoppeld aan biogasinstallaties om de kwaliteit van het geproduceerde gas te verbeteren.
Aan de Universiteit van Wenen onderzoekt de groep van microbioloog Simon Rittmann al jaren of methanogenen kunnen overleven en methaan kunnen produceren onder omstandigheden die de Marsatmosfeer nabootsen: lage druk, de juiste gasmengsels en lage temperaturen. In laboratoriumexperimenten, gepubliceerd in de periode 2020-2023, groeiden bepaalde methanogeensoorten daadwerkelijk onder dergelijke extreme, Mars-achtige condities.
De Mars-rover Curiosity van NASA meet sinds 2012 methaanconcentraties in de Marsatmosfeer en registreerde vanaf 2014 opvallende, seizoensgebonden pieken. Dit voedt al jaren de discussie of hier een biologische of een geologische verklaring achter schuilt.
Al in de jaren negentig en vroege jaren 2000 ontdekte geomicrobioloog Tullis Onstott (Princeton University) methanogenen diep onder de grond in Zuid-Afrikaanse goudmijnen, soms meer dan twee kilometer onder het oppervlak. Dit liet zien hoe veerkrachtig en wijdverspreid dit soort leven op Aarde is, en vormt een referentiepunt voor wat leven elders in het universum zou kunnen doorstaan.
Hoe ver is de techniek?
Power-to-gas met methanogenen heeft het stadium van proof-of-concept en kleinschalige pilots achter zich, maar is nog geen wijdverbreide technologie. Installaties zoals BioCat draaien op het niveau van enkele megawatts, terwijl nationale energienetten gigawatts aan opslagcapaciteit nodig hebben. De belangrijkste belemmering is economisch: groene waterstof is nog relatief duur om te maken, en bij elke omzettingsstap (stroom naar waterstof, waterstof naar methaan) gaat energie verloren.
Het gebruik van methanogenen voor ruimtevaart-ISRU staat nog in de onderzoeksfase. Actuele en nabije Mars-missies, zoals het MOXIE-experiment aan boord van Curiosity's opvolger Perseverance, gebruiken bewust pure chemie (geen levende organismen) om zuurstof uit CO2 te maken, omdat dat voorspelbaarder en minder kwetsbaar is dan biologische systemen. Biologische ISRU met methanogenen wordt gezien als een mogelijkheid voor de langere termijn, niet voor missies die al gepland staan.
Het astrobiologische methaanraadsel op Mars is nog onopgelost. De Europese ruimtesonde ExoMars Trace Gas Orbiter, die sinds 2016 om Mars draait, is specifiek gebouwd om methaan nauwkeurig te meten, maar heeft tot nu toe geen methaan kunnen bevestigen op de niveaus die Curiosity vanaf het oppervlak meet. Dat verschil tussen metingen van de rover en de orbiter is zelf nog een onopgeloste wetenschappelijke vraag, los van de vraag of de bron biologisch is.
Onderzoek naar methanogenen in permafrost is vooral monitorend en modelmatig: wetenschappers meten methaanuitstoot in het veld en proberen te voorspellen hoe deze zich ontwikkelt bij verdere opwarming, maar grote onzekerheden blijven bestaan over het tempo van dit proces.
Wie werken eraan?
Op het gebied van energieopslag zijn Electrochaea (met wortels in Denemarken en de Verenigde Staten) en MicrobEnergy/Viessmann (Duitsland) de bekendste bedrijven. In Nederland doet Wageningen University & Research al langer onderzoek naar anaerobe vergisting en de rol van methanogenen bij mestvergisting en rioolwaterzuivering, met het oog op biogasproductie.
Op het gebied van ruimtevaarttoepassingen en astrobiologie is de onderzoeksgroep Archaea Biology and Ecogenomics van de Universiteit van Wenen, onder leiding van Simon Rittmann, een voortrekker in het testen van methanogenen onder Mars-achtige omstandigheden. NASA (via het Jet Propulsion Laboratory en het Astrobiology Institute) en het Europese ruimteagentschap ESA (met de ExoMars-missie) houden zich bezig met het meten en interpreteren van methaan op Mars. Fundamenteel onderzoek naar methanogenen in extreme, diepe omgevingen op Aarde wordt onder meer gedaan door Princeton University in de Verenigde Staten.