Symbiose von Stickstoffbakterien

Auch bei Bakterien wäscht eine Hand die andere

Nitrit-Oxidierer spielen Schlüsselrollen im globalen Stickstoffkreislauf sowie in der Abwasserreinigung. Sie wandeln im engen Wechselspiel mit anderen Mikroorganismen –Ammoniak-Oxidierern – Ammoniak über Nitrit zu Nitrat um.

Die mikrobielle Vielfalt in einer Klärschlammflocke visualisiert mit der Methode der Fluoresenz in situ Hybridisierung. Ammoniak-Oxidierer (blau) und Nitrit-Oxidierer (rot) sind von einer Vielzahl anderer Bakterien (grün) umgeben (Copyright: Katharina Kitzinger, Universität Wien).

Seit ihrer Entdeckung vor über hundert Jahren gab es jedoch nur wenige neue Erkenntnisse über die Aufgabenverteilung innerhalb dieser mikrobiellen Interaktion. Im Fachmagazin „Proceedings of the National Academy of Science" zeigt nun ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Holger Daims, Mikrobiologe an der Universität Wien, dass Nitrit-Oxidierer und ihre Aufgaben im Zusammenspiel mit Ammoniak-Oxidierern viel facettenreicher sind als bislang vermutet.

Stickstoffverbindungen und deren Recycling im globalen Stickstoffkreislauf spielen eine zentrale Rolle für das Leben auf unserem Planeten. Der Mensch greift jedoch in diesen globalen Prozess durch den exzessiven Einsatz von stickstoffhaltigen Düngemitteln massiv ein. Da Pflanzen nur einen Bruchteil des Düngers, der meist aus Ammonium-Verbindungen und Harnstoff besteht, aufnehmen, wird der größte Teil des Stickstoffs aus dem Boden ausgewaschen und gelangt in Grundwasser, Flüsse und Seen. Diese Belastung hat dramatische Folgen für das Leben in diesen Ökosystemen und führt etwa zu Fischsterben und zum „Umkippen" (die Eutrophierung) von Gewässern. Am Anfang dieser folgenschweren Kaskade steht der Prozess der Nitrifikation (Abbau von Ammoniak).

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Die Nitrifikation wird in einer symbiotischen Interaktion von zwei Mikrobengruppen, den Nitrifikanten, durchgeführt. Ammoniak-oxidierende Mikroben wandeln Ammoniak zu Nitrit um, welches dann von Nitrit-oxidierenden Bakterien zu Nitrat umgesetzt wird. Das Nitrat wird jedoch leicht aus den Böden ausgewaschen.

Schematische Gegenüberstellung der klassischen Rollenverteilung von Nitrifikanten mit dem Modell der gegenseitigen Fütterung, das in dieser Studie entdeckt wurde (Copyright: Hanna Koch, Universität Wien).

So problematisch die Aktivität dieser Mikroben für die Landwirtschaft ist, so wichtig ist sie andererseits für die biologische Abwasserreinigung. In Kläranlagen helfen Nitrifikanten nämlich bei der Beseitigung von schädlichen Stickstoffverbindungen. Um die Auswirkungen des menschlichen Eingreifens auf den Stickstoffkreislauf besser prognostizieren zu können und um Prozesse in der Abwasserreinigung noch effizienter zu machen, ist es essentiell, die Nitrifikanten und ihre Stoffwechseleigenschaften genauer zu untersuchen und besser zu verstehen.

Nitrit-Produzenten statt Nitrit-Konsumenten
Die in der Natur weit verbreiteten Nitrospira-Bakterien übernehmen auch in Kläranlagen wichtige Aufgaben bei der Nitrifikation. Lange Zeit hielt man Nitrospira für hoch spezialisierte Mikroben, die nur in Anwesenheit von Nitrit und Sauerstoff wachsen. Nun hat ein Team von ForscherInnen aus Österreich, Dänemark, den Niederlanden und Deutschland gezeigt, dass der Stoffwechsel von Nitrospira weitaus vielseitiger ist als bisher angenommen. Zusätzlich zu Nitrit können sie auch Formiat, ein häufiges Gärungsprodukt, verwerten. Besonders überraschend ist es, dass Nitrospira-Bakterien einfach auf Nitrat-Atmung umsteigen, wenn ihnen der Sauerstoff zum Atmen fehlt.

Allerdings führt diese Nitrat-Atmung dazu, dass Nitrospira-Bakterien plötzlich Nitrit herstellen – also genau jene Substanz, die sie normalerweise abbauen. „In Kläranlagen und in Böden gibt es Bereiche, in denen kein Sauerstoff vorliegt. Daher ist es wichtig zu verstehen, unter welchen Bedingungen Nitrospira-Bakterien Nitrit aus Nitrat herstellen. Das giftige Nitrit möchten wir ja mit Hilfe von Nitrospira eigentlich aus dem Abwasser entfernen", erklärt Holger Daims vom Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung der Universität Wien.

Überraschende Entdeckung
Die Genomanalyse zweier Nitrospira-Arten ergab zudem, dass diese ein Enzym namens Urease besitzen, das aus Harnstoff Ammoniak freisetzt – Harnstoff ist ein weit verbreitetes Düngemittel und kommt auch im Abwasser in großen Mengen vor. Die Entdeckung der Urease in Nitrospira war eine Überraschung, denn bisher ging man davon aus, dass Nitrit-Oxidierer Harnstoff nicht verwerten können. Darüber hinaus konnten die ForscherInnen erstmals zeigen, dass Nitrospira einer anderen Mikroben-Gruppe, den sogenannten Ammoniak-Oxidierern – diese besitzen kein Urease-Enzym – Ammoniak zur Verfügung stellt.

Die Kombination macht's
So entsteht eine Situation, in der beide Mikroben-Gruppen die Energiequelle ihres Partners produzieren und sich also quasi gegenseitig füttern. Denn das Nitrit, das durch die Aktivität der Ammoniak-Oxidierer entsteht, kann wiederum von Nitrospira zum Wachstum genutzt werden. Somit „hilft" Nitrospira den Ammoniak-Oxidierern ohne Urease dabei, Harnstoff abzubauen und profitiert selbst davon. „Unsere Befunde legen somit nahe, dass Nitrit-oxidierende Bakterien zusätzliche und bislang unbekannte Rollen im Stickstoffkreislauf übernehmen", erläutert Hanna Koch, Erstautorin der Studie und Doktorandin am Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung der Universität Wien.

Publikation:
Hanna Koch, Sebastian Lücker, Mads Albertsen, Katharina Kitzinger, Craig Herbold, Eva Spieck, Per H. Nielsen, Michael Wagner, Holger Daims (2015): Expanded metabolic versatility of ubiquitous nitrite-oxidizing bacteria from the genus Nitrospira; in Proceedings of the National Academy of Science. DOI: 10.1073/pnas.1506533112.

Wissenschaftlicher Kontakt:
Assoz.-Prof. Dipl.-Biol. Dr. Holger Daims
Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung
Universität Wien
1090 Wien, Althanstraße 14
holger.daims@univie.ac.at

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