Untersuchungen zur Ökologie Nitrit-oxidierender Bakterien

Nitrit-oxidierende Bakterien (NOB) sind Schlüsselorganismen des biogeochemischen Stickstoffzyklus. Sie katalysieren den zweiten Schritt der Nitrifikation, die Oxidation von Nitrit zu Nitrat, welches einen großen Teil des fixierten Stickstoffs in der Biosphäre ausmacht und eine wichtige Stickstoffquelle für viele Mikroorganismen und Pflanzen ist. Außerdem bestimmt die Aktivität der NOB, ob fixierter Stickstoff als Nitrat in Ökosystemen verbleibt oder durch die Reduktion von Nitrit zu gasförmigen Stickstoffverbindungen in anderen mikrobiellen Prozessen in die Atmosphäre entweicht. Trotz ihrer gewaltigen ökologischen Bedeutung weiß man nur sehr wenig über die Mikrobiologie und Ökologie von NOB. Frühere Arbeiten über NOB, welche im Allgemeinen schwer im Labor zu kultivieren sind, beschäftigten sich zumeist mit wenigen Reinkulturen oder Vertretern aus Kläranlagen. Die Lebensgemeinschaften von NOB in natürlichen Ökosystemen wurden vernachlässigt, so dass ihre Zusammensetzung, Populationsdynamik, und Reaktionen auf sich ändernde Umweltbedingungen und anthropogene Einflüsse rätselhaft bleiben. Ziel dieses Projekts ist, diese Wissenslücken zu schließen, indem die Populationsstruktur und Funktion von NOB in repräsentativen unberührten oder von Menschen stark beeinflussten Ökosystemen untersucht wird: In Böden aus der Arktis und tropischen bzw. gemäßigten Wäldern sowie landwirtschaftlich genutzten Böden, im Wasser und Sedimenten aus Flüssen und Seen, und in salzhaltigen Seen (Lacken) im burgenländischen Nationalpark "Neusiedler See-Seewinkel". Eine Besonderheit der Lacken sind stark variierende Umweltbedingungen sowie äußerst produktive mikrobielle Lebensgmeinschaften, die bislang wenig untersucht sind. Zur kultivierungs-unabhängigen Analyse der phylogenetisch diversen NOB wird ein neues, hochspezifisches Markergen (nxrB) verwendet. Sequenzen von nxrB, welches für die Beta-Untereinheit der Nitrit- Oxidoreduktase codiert, wurden erst kürzlich mit Genomsequenzen von Vertretern aller bekannten NOB-Gruppen verfügbar. Da nxrB ein Schlüsselgen der Nitritoxidation ist, kommt es in allen NOB vor, erlaubt zugleich aber die eindeutige Unterscheidung der verschiedenen NOB-Linien. In einem hochparallelen Ansatz wird die Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften von NOB in einer Vielzahl von Umweltproben mittels modernster Hochdurchsatz-Sequenzierung von nxrB-Genen analysiert und die Aktivität der einzelnen Populationen wird anhand der nxrB-Transkription beobachtet. In Inkubationsexperimenten werden die Reaktionen von NOB auf geänderte Umweltfaktoren sowie Zusammenhänge von Struktur und Funktion in Lebensgemeinschaften von NOB untersucht. Aus ausgewählten Proben werden NOB angereichert, und das Potential dieser autotrophen Bakterien zur Verwertung bestimmter organischer Substrate wird mit molekularen Methoden auf Einzelzellebene bestimmt. Das Projekt wird erstmals ein breites Bild der NOB-Populationen in der Umwelt sowie ihrer Ökologie in verschiedenen Lebensräumen liefern. Dieses Wissen ist dringend erforderlich, um die Effekte natürlicher Umweltschwankungen auf den Sticktoffkreislauf besser zu verstehen sowie die Folgen menschlicher Einflüsse, wie eine steigende Stickstoff-Deposition, für empfindliche Ökosysteme einzuschätzen.

Die Nitrifikation, d.h. die Oxidation von Ammoniak zu Nitrat, ist ein zentraler Prozess des Stickstoffkreislaufs in der Natur. Sie ist ebenso wichtig für die Abwasserreinigung in Kläranlagen und die Trinkwasseraufbereitung, bewirkt aber auch große Stickstoff- Verluste aus gedüngten landwirtschaftlichen Böden. Sie verläuft zweistufig: Ammoniak wird von ammoniak-oxidierenden Mikroorganismen zu Nitrit oxidiert, welches von nitrit- oxidierenden Bakterien (NOB) zu Nitrat umgesetzt wird. Über die Biologie der NOB ist nur wenig bekannt, da die meisten Arten nicht im Labor kultiviert werden können. In diesem Projekt wurden neue molekularbiologische Methoden entwickelt, um NOB kultivierungsunabhängig in Umweltproben nachzuweisen. Dabei wurde eine bislang unbekannte, hohe Diversität von NOB der Gattung Nitrospira in Böden aus arktischen, gemäßigten und tropischen Ökosystemen entdeckt bis zu 700 Nitrospira-Arten in einer Bodenprobe sowie über 100 Nitrospira-Arten in einer Kläranlage. Die koexistierenden Nitrospira-Populationen bevorzugen verschiedene Nitrit-Konzentrationen, Temperaturen, pH-Werte und alternative Substrate (wie Formiat) und besetzen somit unterschiedliche ökologische Nischen, was ihr Vorkommen im selben Lebensraum erklärt. Durch eine Kombination von Genomanalysen und Laborexperimenten gelang der Nachweis, dass einige Nitrospira sogar unabhängig von der Nitrifikation, also ohne Nitrit, allein mit Wasserstoff (H2) oder Formiat als Energiequelle wachsen können und dabei CO2 als Kohlenstoffquelle fixieren. Die größte Überraschung war jedoch die Entdeckung, dass bestimmte Nitrospira-Arten nicht nur Nitrit, sondern auch Ammoniak oxidieren und somit die ganze Nitrifikation allein durchführen. Diese Organismen werden komplette Ammoniak-Oxidierer oder Comammox genannt. Ihre Entdeckung hat über 100 Jahre altes Lehrbuchwissen widerlegt, nach dem die zwei Schritte der Nitrifikation stets von verschiedenen Mikroben durchgeführt werden. Die neu entdeckten Comammox- Bakterien sind weit verbreitet und kommen in Böden undSüßwassersowie in Kläranlagenund Trinkwasseraufbereitungsanlagenvor.Ihre Bedeutungfür dennatürlichen Stickstoffkreislauf und für die Nitrifikation in Kläranlagen wird nun weltweit in Folgestudien untersucht. Auch in den Salzlacken des Nationalparks Neusiedler See-Seewinkel kommen NOB und Comammox der Gattung Nitrospira vor, die an hohe Salinität und pH-Werte bis 11 angepasst sind. Bislang ging man davon aus, dass NOB spezialisierte Bakterien seien, welche Nitrit oxidieren und keine anderen Aktivitäten haben. Dieses Projekt hat dieses Bild völlig verändert und gezeigt, dass NOB flexible Mikroorganismen sind. Sie sind an verschiedenste Umweltbedingungen angepasst und erfüllen unerwartete Funktionen. Dieses Wissen hilft, den Stickstoffkreislauf besser zu verstehen und die Effizienz der Düngung sowie der Abwasserreinigung und Trinkwasseraufbereitung zu optimieren.