Anreicherung und Charakterisierung neuer mariner Comammox

Ozeane bedecken den größten Teil der Oberfläche unseres Planeten und beherbergen eine große Artenvielfalt. Von Mikroorganismen bis hin zu den großen Blauwalen benötigen alle Meeresorganismen Stickstoff, um zu überleben und zu wachsen. Die Nitrifikation, die Oxidation von Ammoniak zu Nitrit und dann Nitrat, ist ein kritischer Prozess im Stickstoffkreislauf, da sie den Großteil des bioverfügbaren Stickstoffs liefert, der zur Erhaltung mariner Ökosysteme benötigt wird. Es wird angenommen, dass die Nitrifikation im Ozean hauptsächlich durch die gut koordinierte Zusammenarbeit zweier funktionell getrennter Gruppen von Mikroorganismen (Ammoniak-oxidierende Archaeen und Nitrit-oxidierende Bakterien) durchgeführt wird, die physiologisch angepasst sind, um in diesen Umgebungen zu überleben. Die kürzliche Entdeckung, dass vollständigeAmmoniakoxidierer(Comammox),diebeide Nitrifikationsschritte in einer einzigen Zelle durchführen können, hat jedoch unser begrenztes Verständnis der marinen Nitrifikation deutlich gemacht. Bis heute wurden Comammo x- Mikroorganismen ausschließlich innerhalb der Bakteriengattung Nitrospira identifiziert und, obwohl sie in einer Vielzahl von Ökosystemen gefunden wurden, wurden sie seltsamerweise immer noch nicht im Ozean gefunden. Das MarCo-Projekt zielt darauf ab, einen innovativen Ansatz für die selektive Anreicherung und Untersuchung mariner Comammox-Mikroorganismen zu entwickeln. Neue Comammox- Spezies werden anhand ihrer Fähigkeit identifiziert, Ammoniak und Nitrit in einer einzigen Zelle zu oxidieren, wobei eine Kombination von zwei aktivitätsbasierten Fluoreszenz- Färbemethoden verwendet wird. Erstmals werden diese Methoden optimiert und auf lebende Zellen angewendet. Anschließend werden phylogenetisch vielfältige, aktive Comammox-Zellen durch fluoreszenz-aktivierte Zellsortierung angereichert. Ihre Fähigkeit, Ammoniak, Nitrit sowie eine Vielzahl unterschiedlicher Substrate zu oxidieren, wird mit einer Kombination aus modernster Metagenomik, Aktivitätsassays und Mikrorespirometrie untersucht, um ein tiefes Verständnis der treibenden Kräfte zu ermöglichen, die die nitrifizierenden Gemeinschaften im Ozean formen. Das MarCo-Projekt zielt darauf ab, die bisher übersehene Diversität des Comammox - Prozesses zu entdecken und grundlegende Fragen zur Diversität und Ökophysiolog ie von Comammox-Spezies zu beantworten, und gleichzeitig Licht in die Natur des marinen Stickstoffkreislaufs zu bringen.

Die Nitrifikation ist ein kritischer Prozess innerhalb des marinen Stickstoffkreislaufs. Nitrat, das Endprodukt der Nitrifikation, ist für marine Ökosysteme essentiell. Bis heute geht man davon aus, dass die Nitrifikation im Meer fast ausschließlich durch das gemeinsame Wirken von ammoniakoxidierenden Archaeen und nitritoxidierenden Bakterien erfolgt. Seit ihrer Entdeckung vor ungefähr 10 Jahren wurden vollständige Ammoniakoxidierer (Comammox) als Schlüsselakteure im globalen Stickstoffkreislauf identifiziert. Seltsamerweise wurden diese oligotrophen Nitrifikanten noch nicht in den Oceanen und Meeren gefunden. Dies zeigt, dass uns ein umfassendes Verständnis der gesamten Comammox-Verteilung in der Umwelt fehlt, aber auch, dass wir die marine Nitrifikation nur begrenzt verstehen. Im Rahmen des Projekts TAI-621 "Anreicherung und Charakterisierung neuartiger mariner Comammox-Bakterien" wurde erfolgreich eine innovative Methode für den aktivitätsbasierten Nachweis von Comammox-Bakterien entwickelt. Die Methode basiert auf der differentiellen Markierung von Comammox-Mikroorganismen. Dazu wurde eine Kombination aus einer aktivitätsbasierten Methode zum spezifischen Nachweis von mikrobiellen Zellen, die Ammoniak oxidieren können, und bioorthogonalem, nicht-kanonischem Aminosäure-Tagging (BONCAT) zum Nachweis translational aktiver Zellen unter nitritfressenden Bedingungen optimiert und angewendet. Dieser innovative Ansatz ermöglichte den spezifischen Nachweis und die selektive Anreicherung von Comammox-Mikroorganismen in nachgebildeten mikrobiellen Gemeinschaften, sowie die Anreicherung von Nitrifikanten. Die Kombination der im diesem Projekt entwickelten Methode mit nachgeschalteter fluoreszenzaktivierter Zellsortierung und metagenomischer Sequenzierung ermöglichte die Identifizierung neuartiger Comammox-Arten und die Untersuchung ihres Stoffwechselpotenzials durch Metagenomik. Schließlich konnten wir mit der entwickelten Methode bei der Anwendung auf Oberflächen-Wasserproben aus dem Mittelmeer kanonische Nitrifikanten nachweisen. Es wurden jedoch keine marinen Comammox-Mikroorganismen identifiziert. Dies bestätigte die im Projekt formulierte Ausgangshypothese, dass eher tiefe marine Wassersäulen und Sedimentumgebungen die potenziellen Lebensräume mariner Comammox-Mikroorganismen darstellen. Insgesamt war das Projekt TAI-621 erfolgreich bei der Entwicklung und Optimierung der ersten aktivitätsbasierten Methode für den spezifischen Nachweis von Comammox-Mikroorganismen. Diese bahnbrechende Technik hat sich bereits als ausreichend erwiesen, um neue Comammox-Arten nachzuweisen. Darüber hinaus stellt sie eine unschätzbare Ergänzung unseres Instrumentariums dar, die den Nachweis und die Untersuchung von Comammox in verschiedenen Umgebungen erleichtern kann, um unser Verständnis des globalen Stickstoffkreislaufs zu erweitern.