Vor einigen Jahren stieß ein Forschungsteam um Jana Milucka vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie auf etwas Seltsames: winzige Partnerschaften, die bislang niemand richtig verstanden hatte. Bakterien, die symbiontisch zusammenleben mit Ciliaten – einzelligen Lebewesen, die überall dort vorkommen, wo es Wasser gibt. Diese Symbionten versorgen ihre Wirte, die Ciliaten, mit Energie, ähnlich wie Mitochondrien unsere eigenen Zellen mit Energie versorgen – eine bis dahin beispiellose Verbindung. Die ersten Daten deuteten darauf hin, dass diese Organismen besonders häufig in Abwässern vorkommen könnten. Also beschlossen Milucka und ihr Team, dort genauer hinzuschauen.

Ein Mikrokosmos in Abwasseranlagen

Die Forschenden analysierten Daten aus Kläranlagen auf der ganzen Welt und identifizierten 14 neue Arten dieser endosymbiotischen Bakterien. „Durch die sogenannte Denitrifikation helfen die Bakterien, Nitrat aus dem Abwasser zu entfernen. Gleichzeitig unterstützen sie ihre Wirte bei der Energiegewinnung, indem sie schädliche Nitrate in Stickstoffgas umwandeln“, erklärt Erstautorin Louison Nicolas-Asselineau.

Die Symbiosen fanden sich in bis zu 50 Prozent der untersuchten Kläranlagen. Ein bislang übersehener, aber offenbar zentraler Bestandteil des Ökosystems. „Wir haben festgestellt, dass die Zahl der Symbionten in den einzelnen Kläranlagen zeitlich stark schwankt. Es ist also gut möglich, dass wir einige übersehen haben.“

Eine Frage der Klimawirkung

Die meisten denitrifizierenden Endosymbionten verfügen über einen vollständigen Denitrifikationsweg. Sie können Nitrat vollständig zu Distickstoffgas (N₂) veratmen und besitzen ein Enzym namens Cytochrom-cbb3-Oxidase, das es ihnen ermöglicht, neben Nitrat auch Sauerstoff zu veratmen.

Doch eine Art sticht heraus: Candidatus Azoamicus parvus. Sie kann weder Sauerstoff veratmen noch das Zwischenprodukt Lachgas (N₂O) im Denitrifikationsprozess abbauen. Statt N₂O in harmloses N₂ umzuwandeln, setzt sie dieses starke Treibhausgas in das umgebende Wasser frei. Lachgas ist 300 Mal stärker als CO₂. Dass ausgerechnet diese Art, die weltweit in Kläranlagen häufig vorkommt, Lachgas produziert, ist alarmierend. „Dies ist das erste Mal, dass wir einen denitrifizierenden Endosymbionten gefunden haben, der Lachgas produziert, und zufällig ist es ausgerechnet derjenige, der in Kläranlagen am weitesten verbreitet ist“, sagt Jana Milucka.

Abwasserbehandlung ist eine der größten praktischen Anwendungen der Mikrobiologie und entscheidend, um Umwelt und Gesundheit zu schützen. Die mikrobiellen Partnerschaften, die jetzt entdeckt wurden, waren bisher weitgehend unsichtbar. „Wir waren sehr überrascht, dass denitrifizierende Endosymbiosen in Abwässern so häufig vorkommen und weit verbreitet sind, da in diesen Systemen sehr veränderliche Bedingungen und starker ökologischer Druck herrschen“, sagt Nicolas-Asselineau. „Unsere Studie unterstreicht, wie wichtig es ist, die an den Klärprozessen beteiligten Mikroorganismen besser zu verstehen. Sie könnten der Schlüssel zur Verbesserung der Abwasserbehandlung und zur Verringerung ihrer Umweltauswirkungen sein.“

Originalpublikation:
Nicolas-Asselineau, L., Speth, D. R., Zeller, L. M., Woodcroft, B. J., Singleton, C. M., Liu, L., Dueholm, M. K. D., & Milucka, J. (2025). Occurrence and temporal dynamics of denitrifying protist endosymbionts in the wastewater microbiome. ISME Communications, 5(1), ycaf209. DOI:10.1093/ismeco/ycaf209

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft