Ökologie neuer Nitritoxidierer aus dem Stamm Chloroflexi

Bakterien im Abwasser wer will da schon genauer hinschauen? Doch dem Forscherteam um Dr. Anne Daebeler und Assoz.-Prof. Holger Daims von der Universität Wien vergeht beim Blick in den Klärschlamm nicht der Appetit. Im Gegenteil, und ihr Hunger nach mehr Wissen über die Bakterien in Kläranlagen hat vor kurzem zu einer überraschenden Entdeckung geführt. Chloroflexi Bakterien, die bislang meist mit Betriebsstörungen in Verbindung gebracht wurden, erfüllen im Klärschlamm eine wichtige Funktion der Abwasserreinigung. Sie sind in der Lage, am Klärprozess teilzunehmen indem sie durch Oxidation giftiges Nitrit zu Nitrat umwandeln. Dieser Schritt ist ein wichtiger auf dem Weg zu sauberem Wasser, denn nur das Produkt Nitrat können weitere Bakterien anschließend aus dem Abwasser entfernen. Somit fällt ein neues Licht auf die Chloroflexi Bakterien und ihre Bedeutung für Klärprozesse. In dem Projekt Ecoflex Erforschung der Ökologie neuer Nitritoxidierer aus dem Stamm Chloroflexi soll es darum gehen, grundlegende Fragen zu ihrer Lebensweise zu beantworten. Das ist notwendig um die neu entdeckte Fähigkeit der Bakterien richtig einzuschätzen und optimal nutzen zu können. So ist zum Beispiel unklar, welche Bedingungen zu maximaler Nitritumwandlung durch die neuen Chloroflexi Bakterien führen. Hier erwarten die Forscher Faktoren wie die richtige Menge an Sauerstoff und Nitrit, aber auch die Umgebungstemperatur eine wichtige Rolle zu spielen. Experimente im Labor unter künstlichen Bedigungen, aber auch die Suche nach Chloroflexi Bakterien in verschiedenen Kläranlagen und natürlichen Lebensräumen werden dazu Auskunft geben können. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt von Daebeler und Daims werden Versuche zur Kultivierung und der Untersuchung des Erbgutes der neuen Bakterien sein. Dabei werden sie sich besonders auf mögliche Stoffwechselwege und den Vergleich mit bekannten Nitritoxidierern konzentrieren. Diese Kombination von Analysen hat das große Potenzial ganzheitliche Antworten zu liefern, die nicht nur Zusammenhänge zwischen den neuen Bakterien und ihrer Umwelt erkennen, sondern auch begründen können.

Nitrifikation, die Oxidation von Ammoniak zu Nitrat, ist ein Schlüsselprozess des Stickstoffkreislaufs in der Natur. Darüberhinaus ist der Prozeß der Nitrifikation wichtig für die biologische Abwasserreinigung und Trinkwasseraufbereitung, verursacht aber andererseits massive Stickstoffverluste aus gedüngten Ackerböden, welche zu Umweltbelastungen und der Produktion von Treibhausgasen führen. Die Nitrifikation ist ein zweistufiger Prozess: Ammoniak wird von ammoniakoxidierenden Mikroorganismen zu Nitrit oxidiert, das wiederum von nitritoxidierenden Bakterien zu Nitrat umgewandelt wird. Über die Biologie der Nitrifikanten ist wenig bekannt, da nur sehr wenige Arten im Labor kultiviert werden können. In diesem Projekt haben wir neben den klassischen kultivierungsbasierten Experimenten kultivierungsunabhängige molekularbiologische Methoden eingesetzt, um die Nitrifikanten direkt in Umweltproben nachweisen. Ihr Einsatz führte zur Entdeckung eines bisher unbekannten, ammoniakoxidierenden Archaeons in isländischen heißen Quellen und eines nitritoxidierenden Bakteriums aus einem salzalkalischen See im österreichischen Nationalpark Neusiedler See-Seewinkel, welches ungewöhnlich hohen pH-Werten standhält. Mit diesen neuen Kulturen konnten wir unerwartete Merkmale über ihre Stoffwechselfunktionen und Anpassungsmechanismen an ihre extremen Lebensräume entdecken. Wir waren außerdem überrascht zu entdecken, dass andere nitritoxidierende Bakterien und komplette Ammoniak-Oxidierer, "Comammox", der Gattung Nitrospira existieren, die an einen hohen Salzgehalt und pH-Werte von bis zu 11 angepasst sind. Eine Kombination von Genomanalysen mit Laborexperimenten ergab, dass Nitrospira moscoviensis, ein Modellorganismus für die in der Natur am weitesten verbreiteten Nitrit-Oxidierer, in der Lage ist, atmosphärische Konzentrationen von Wasserstoff zur Energiegewinnung zu benutzen. Bisher gingen Wissenschaftler davon aus, dass es sich bei Nitrifikanten um spezialisierte Mikroorganismen handelt, die nur eine sehr begrenzte Anzahl von Aktivitäten aufweisen. Dieses Projekt hat gezeigt, dass Nitrifikanten an vielfältige Umweltbedingungen angepasst sind und unerwartete ökologische Funktionen haben. Dieses Wissen ist wichtig für ein besseres Verständnis des Stickstoffkreislaufs und kann helfen, die Effizienz von Düngung, Abwasserreinigung und Trinkwasseraufbereitung zu optimieren.