Physiologie und ökologische Bedeutung von Comammox

Die Nitrifikation, die zweistufige Oxidation von Ammoniak zu Nitrit und weiter zu Nitrat, ist ein Schlüsselprozess des biogeochemischen Stickstoffkreislaufs und hat immense ökologische Bedeutung. Sie erzeugt den Großteil des Nitrats in den Ozeanen, beeinträchtigt die Stickstoffdüngung in der Landwirtschaft, ist ein wichtiger Schritt der biologischen Abwasserreinigung, und produziert das Treibhausgas Distickstoffmonoxid als Nebenprodukt. Lehrbüchern zufolge wird die Nitrifikation von zwei verschiedenen Gruppen von Mikroorganismen katalysiert, welche entweder Ammoniak oder Nitrit oxidieren. Kürzlich wurden jedoch komplette Ammoniak-Oxidierer (Comammox) in der Bakteriengattung Nitrospira entdeckt, die beide Nitrifikationsschritte allein durchführen können. Diese Entdeckung hat unser Bild der Nitrifikation radikal verändert, aber Comammox-Nitrospira sind schwer im Labor zu züchten und sehr wenig ist über ihre Lebensweise bekannt. Dieses Projekt zielt auf ein grundlegendes Verständnis der Ökophysiologie, Diversität, und Verbreitung der Comammox-Nitrospira ab. Bislang nicht kultivierte (gezüchtete) Comammox-Bakterien werden spezifisch mit Isotopen markiert. Einzelne markierte Zellen werden mit einer neuartigen Sortierungsmethode, welche auf Raman-Mikrospektroskopie basiert, vereinzelt und durch Roboter-gestützte Massenkultivierung vermehrt. Danach wird, mittels einer eleganten Mikrorespirometrie-Technik, die Kinetik der Nitrifikation für die neuen Comammox-Kulturen gemessen. Diese Daten geben Aufschluss über die ökologischen Nischen von Comammox und testen die Hypothese, dass Comammox-Nitrospira an oligotrophe Habitate angepasst sind und ihre kinetischen Eigenschaften den Umweltbedingungen teilweise anpassen können. Genomanalysen der neuen Comammox-Kulturen werden zeigen, ob diese Bakterien Gene für andere Energie-Stoffwechselwege als die Nitrifikation besitzen. Genombasierte Hypothesen bezüglich solcher Stoffwechselwege werden mit Inkubationsexperimenten, Isotopenmarkierung einzelner Zellen sowie Methoden der chemischen Bildgebung getestet. Die Resultate werden zeigen, ob Comammox-Nitrospira verschiedene ökologische Funktionen haben können. Über die Habitate von Comammox-Nitrospira und ihre Bedeutung für die Nitrifikation ist wenig bekannt. Eine umfassende Bestandsaufnahme, basierend auf einem spezifischen Gen als molekularem Marker, wird die Verbreitung von Comammox in Böden, Gewässern und technischen Anlagen erfassen. Die Relevanz von Comammox für die Nitrifikation wird in Isotopen-Markierungsexperimenten mit diversen Umweltproben untersucht. Das Projekt wird bahnbrechende Einblicke in die Biologie der neuartigen Comammox- Bakterien liefern. Besondere Relevanz werden die Ergebnisse für die Forschung und Anwendungen in der Mikrobiologie, Biogeochemie, Landwirtschaft, sowie Abwasser- und Trinkwasserbehandlung haben.

Die Nitrifikation ist ein Schlüsselprozess des biogeochemischen Stickstoffkreislaufs in natürlichen und technischen Ökosystemen. Lange wurde angenommen, dass sie stets von zwei verschiedenen funktionellen Gruppen von Mikroorganismen katalysiert wird, den Ammoniakoxidierern und den Nitritoxidierern. Vor wenigen Jahren wurden jedoch Bakterien entdeckt, welche die Nitrifikation allein durchführen und daher als "vollständige Ammoniakoxidierer" (Comammox) bezeichnet wurden. Ziel dieses Projekts war, Einblicke in die Ökophysiologie der neuartigen Comammox-Organismen zu gewinnen und ihre Verbreitung sowie ihre biologischen Funktionen und Anpassungen in verschiedenen Lebensräumen zu untersuchen. Lachgas (N2O) ist das dritthäufigste Treibhausgas in der Atmosphäre und der Hauptverursacher des heutigen Ozonabbaus. Seine Konzentration in der Atmosphäre nimmt aufgrund menschlicher Aktivitäten, insbesondere in der Landwirtschaft, ständig zu. Es ist bekannt, dass gewöhnliche ammoniakoxidierende Mikroorganismen, die in gedüngten Böden leben, Lachgas in die Umgebung abgeben. Über Comammox wusste man in diesem Zusammenhang jedoch nichts. In diesem Projekt haben wir entdeckt, dass Comammox-Bakterien deutlich weniger Lachgas freisetzen als gewöhnliche ammoniakoxidierende Bakterien. Diese geringen Lachgas-Mengen werden nicht durch enzymatische Prozesse gebildet, sondern stammen aus der abiotischen Umwandlung von Hydroxylamin (einem Nitrifikations-Zwischenprodukt), das aus den Comammox-Zellen austritt. Daher könnten künftige Maßnahmen zur Eindämmung des Klimawandels und zum Schutz der Ozonschicht darauf abzielen, die Häufigkeit von Comammox gegenüber den gewöhnlichen Nitrifikanten in landwirtschaftlichen Böden zu erhöhen (z. B. durch angepasste Düngeverfahren). Ein weiteres überraschendes Ergebnis war, dass Comammox-Bakterien die Stickstoffverbindung Guanidin als einzigen Nährstoff zum Wachstum nutzen können. Guanidin wird in verschiedenen industriellen Prozessen verwendet und kommt auch in der Natur vor (z. B. im menschlichen Urin), aber bisher war kein Organismus bekannt, der Guanidin als Energiequelle nutzt. Wir konnten zeigen, dass Comammox-Bakterien ein Guanidinase-Enzym besitzen, das für den Abbau von Guanidin zuständig ist. Damit nutzt Comammox einen effizienten biochemischen Weg, den andere nitrifizierende Mikroben nicht besitzen, um Energie aus Guanidin zu gewinnen. Das Wachstum von Comammox auf Guanidin ist eine einzigartige ökologische Nische dieser Bakterien. Dies könnte neue Möglichkeiten eröffnen, Comammox-Bakterien in verschiedenen Bereichen zu unterstützen, um Lachgas-Emissionen zu reduzieren und den biologischen Abbau wichtiger Mikroschadstoffe zu ermöglichen. Im Projekt wurde auch eine unerwartete Flexibilität des Stoffwechsels von Comammox-Bakterien, die in Kläranlagen vorkommen, entdeckt. Neben der Nitrifikation können diese Bakterien offenbar auch Energie aus der Oxidation von Wasserstoff und Sulfit gewinnen. Einige Arten scheinen anoxische Bedingungen durch Gärung zu überdauern (ein Stoffwechselweg, der bei anderen Nitrifikanten nicht vorkommt). Interessanterweise ergab sich auch, dass Comammox-Bakterien in extremen Lebensräumen wie heißen Quellen (bis zu 80C) und in salzhaltigen alkalischen Seen (im Nationalpark Neusiedler See-Seewinkel) wichtige Nitrifikanten sind.