Erforschung der Ökophysiologie von Nitrotoga-ähnlichen NOB

Nitrifikation ist ein zweistufiger, ausschließlich von Mikroorganismen katalysierter Prozess der eine Schlüsselfunktion im biogeochemischen Stickstoffkreislauf darstellt. Zunächst wird Ammonium von Ammonium- oxidierenden Bakterien und Archaeen zu Nitrit umgewandelt, welches freigesetzt wird und den Nitrit-oxidierenden Bakterien (NOB) als Substrat dient. Während der letzten Jahre wurde mit der Beschreibung von mehreren Nitrospira Arten, Nitrotoga und sogar phototrophen NOB eine überraschende Vielzahl neuer NOB entdeckt. Diese Diversität steht im krassen Gegensatz zum stark limitierten Wissen über die Biologie dieser Organismen. Das hier vorgestellte Projekt zielt darauf ab, diese Wissenslücke für eine der neuen Gruppen, die Gattung Nitrotoga, zu verkleinern. In einer vorangegangenen Studie konnte mittels neu entwickelter PCR Primer und FISH Sonden gezeigt werden, dass nahe mit "Candidatus Nitrotoga arctica" verwandte NOB in vielen Abwasserreinigungsanlagen (ARAs) vorkommen und manchmal sogar den einzig bekannten Nitritoxidierer repräsentieren. Hierauf aufbauend wird dieses Projekt die Abundanz sowie die Physiologie von Nitrotoga- ähnlichen Bakterien untersuchen. Zunächst werden die Daten über die Verbreitung dieser NOB nicht nur um weitere ARAs erweitert, sondern es soll auch ein Einblick in die Häufigkeit von Nitrotoga in ausgewählten natürlichen Habitaten gewonnen werden. Als zweites wird mittels Genomik das genetische Repertoire zweier Nitrotoga-Stämme, angereichert aus Permafrostboden und Belebtschlamm, erschlossen. Diese Genome werden erstmals Einblicke in das physiologische Potential dieser neuen Gattung erlauben und darüber hinaus Hinweise darauf geben, welches Ausmaß an genetischer Adaptation notwendig ist, um sich von einem Leben im Permafrost an eines in ARAs anzupassen. Drittens werden molekulare Werkzeuge wie FISH-MAR verwendet, um die Nitrit- oxidierende Lebensweise von Nitrotoga-ähnlichen Bakterien direkt in Belebtschlamm nachzuweisen, da die Fähigkeit des rein chemolithoautotrophen Wachstums mit Nitrit und CO 2 als einziger Energie- und Kohlenstoffquelle bislang lediglich indirekt an Anreicherungskulturen beobachtet wurde. In weiteren geplanten Experimenten sollen neben Nitrotoga weitere Nitritoxidierer untersucht werden. Hier wird einmal in situ die Kompetition zwischen Nitrotoga und Nitrospira direkt in Belebtschlamm beobachtet. Ferner wird die Nitrit- Verwertungseffizienz von Nitrotoga sowie von Nitrospira und Nitrobacter, die in den meisten natürlichen Habitaten und ARAs wichtigsten NOB, miteinander verglichen. Hierfür werden Reinkulturen der einzelnen NOB in Anwesenheit von isotopenmarkierten Substraten und bei unterschiedlichen Nitritkonzentrationen inkubiert. Durch eine Kombination von Ratenmessungen an der Gesamtkultur mit Einzelzell-NanoSIMS Analysen kann dann die Nitrit-Verwertungseffizienz dieser NOB bestimmt werden. Zusammenfassend werden die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse zum einen Faktoren identifizieren, welche das kompetitive Wachstum von Nitrotoga fördern, zum andern physiologische Parameter für Nitrotoga, Nitrospira und Nitrobacter liefern, welche für das Verständnis und die Modellierung der Nitrifikation unabdingbar sind. Derartiges Wissen wird für eine Abschätzung des menschlichen Einfluss auf den natürlichen Stickstoffkreislauf immer bedeutsamer und für die Forschung im Bereich der Mikrobiologie, Biochemie und Ingenieurwissenschaften von Relevanz sein.

Nitrifikation ist ein zweistufiger, ausschließlich von Mikroorganismen katalysierter Prozess der eine Schlüsselfunktion im biogeochemischen Stickstoffkreislauf darstellt. Zunächst wird Ammoniak von ammoniakoxidierenden Bakterien und Archaeen zu Nitrit umgewandelt, welches freigesetzt wird und den nitritoxidierenden Bakterien (NOB) als Substrat dient. Während der letzten Jahre wurde mit der Beschreibung von mehreren Nitrospira Arten, Nitrotoga und sogar phototrophen Nitritoxidierern eine überraschende Vielzahl neuer NOBs entdeckt. Diese Diversität steht im krassen Gegensatz zum stark limitierten Wissen über die Biologie dieser Organismen. Das hier vorgestellte Projekt zielte darauf ab, diese Wissenslücke für eine der neuen Gruppen, die Gattung Nitrotoga, zu verkleinern. Um dieses Ziel zu erreichen haben wir zunächst eine Reihe "molekularer Spürhunde", sogenannte PCR Primer und FISH Sonden, entwickelt. Diese ermöglichten es uns, NOBs nahe verwandt mit Nitrotoga arctica in ihren natürlichen Lebensräumen zu detektieren. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass diese spezialisierten Bakterien in vielen Kläranlagen vorkommen und manchmal sogar den einzig bekannten Nitritoxidierer repräsentieren. Darüber hinaus konnte Nitrotoga in verschiedenen Böden und Flusssedimenten gefunden werden, was auf eine allgemeine Verbreitung in der Umwelt hinweist. Als nächstes wollten wir die nitritoxidierende Lebensweise von Nitrotoga direkt in Belebtschlamm nachweisen, da die Fähigkeit des rein chemolithoautotrophen Wachstums mit Nitrit und CO2 als einziger Energie- und Kohlenstoffquelle bislang lediglich indirekt in Anreicherungskulturen beobachtet wurde. Hierfür verwendeten wir zunächst eine Kombination aus Mikroskopie und digitaler Bildanalyse und konnten zeigen, dass Nitrotoga in Belebtschlammflocken immer in unmittelbarer Umgebung von ammoniakoxidierenden Bakterien vorkommt, ein starker Hinweis auf ihre Funktion als Nitritoxidierer. Durch Inkubation von Belebtschlammproben mit Nitrit als einziger Energie- und radioaktiv markiertem CO2 als Kohlenstoffquelle konnten wir zu guter Letzt zweifelsfrei beweisen, dass es sich bei Nitrotoga in der Tat um einen bislang unbekannten Nitritoxidierer von zentraler Bedeutung für die Abwasserreinigung handelt. Diese Forschungsergebnisse sind von großem Interesse für Forscher und Abwasseringenieure da sie zeigen, dass ein häufig vorkommender Schlüsselorganismus des bakteriellen Stickstoffkreislaufs in früheren Forschungsarbeiten übersehen wurde. Darüber hinaus kann die Entdeckung von Nitrotoga zu einer Verbesserung der Reinigungseffizienz von Kläranlagen vor allem in kalten Regionen beitragen, da dieser Organismus bei niedrigen Temperaturen von 4 - 16C gut wächst.