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Elektronenmikroskopische Aufnahme von Comammox-Bakterien © Anne Daebeler & Stefano Romano
Elektronenmikroskopische Aufnahme von Comammox-Bakterien © Anne Daebeler & Stefano Romano

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Spezielle Mikroorganismen sind klimaschonendere Stickstoff-Verwerter

23.04.2019

Die von Wiener Forschern 2015 entdeckten Comammox-Bakterien haben sich in den vergangenen Jahren als einer der Hauptakteure im für Mensch und Umwelt so wichtigen Stickstoff-Kreislauf erwiesen. Das Team um Michael Wagner und Holger Daims hat nun in einer Studie im Fachblatt "Nature Communications" gezeigt, dass die Kleinstlebewesen auch sehr wenig klimaschädliches Lachgas erzeugen.

Vor allem durch die Nutzung von Düngemitteln in der Landwirtschaft beeinflusst der Mensch den Stickstoff-Kreislauf massiv. Menschliche Aktivitäten führen vielen Ökosystemen heute bei weitem zu viel Stickstoff zu. Die Folge sind das Aussterben mancher Pflanzen-Arten, das "Kippen" von Gewässern aufgrund von Überdüngung (Eutrophierung) oder die übermäßige Freisetzung des besonders effektiven Treibhausgases Distickstoffmonoxid (Lachgas), das überdies auch der Ozonschicht schadet.

Bei der Umwandlung von Stickstoff in seine verschiedenen Erscheinungsformen in der Biosphäre spielen Mikroorganismen eine Schlüsselrolle. Ein wesentlicher Teilschritt im Stickstoffkreislauf ist die Nitrifikation, die von "Nitrifikanten" genannten Mikroben durchgeführt wird. Ausgangsstoff in diesem Prozess ist Ammonium (NH4). Dieses wird beim Zerfall abgestorbener Biomasse frei oder auf landwirtschaftlich genutzten Böden auch häufig als Dünger zugesetzt. Ammonium wird im ersten Schritt der Nitrifikation zunächst zum giftigen Nitrit (NO2) und dieses im zweiten Schritt schließlich zum etwas harmloseren Nitrat (NO3) oxidiert.

Commox-Bakterien erledigen zwei Schritte im Alleingang

Über 100 Jahre ging man davon aus, dass diese zwei Schritte arbeitsteilig von zwei verschiedenen Gruppen von Mikroorganismen durchgeführt werden: den Ammoniak-Oxidierern und den Nitrit-Oxidierern. 2015 hat das Team um Wagner und Daims vom Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft der Universität Wien erstmals ein Comammox-Bakterium (complete ammonia oxidizer) identifiziert, das beide Schritte alleine erledigt. Die Wissenschafter konnten dann die weltweit erste Reinkultur dieser Mikroorganismen heranzüchten und die Stickstoff-Allrounder seither studieren.

In ihrer aktuellen Studie ging das Wiener Team zusammen mit Kollegen aus Deutschland und Kanada der Frage nach, wie viel Lachgas die Comammox-Bakterien bei ihrer Arbeit erzeugen. Das ist wichtig, da Lachgas als fast 300-fach stärkeres Treibhausgas als CO2 gilt. Dabei zeichnete sich ab, dass "die Comammox-Bakterien viel weniger Lachgas freisetzen als die meisten anderen Nitrifikanten", so Daims in einer Aussendung der Uni Wien.

Bei anderen Mikroben entsteht außerdem noch mehr Lachgas, wenn ihnen wenig Sauerstoff zu Verfügung steht. Nicht so bei den Comammox-Bakterien: "Selbst sauerstoffarme Bedingungen hatten darauf keinen Einfluss. Und die geringe Menge Lachgas erzeugen die Comammox-Bakterien gar nicht selbst - ihnen fehlen die dazu notwendigen Enzyme. Das Lachgas entsteht nur durch chemische Reaktionen aus Hydroxylamin, einer Substanz, die Comammox-Bakterien in ihre Umgebung abgeben", sagte Wagner.

Dieser Befund sei interessant, wenn es darum geht, die Umwandlungsprozesse in der Landwirtschaft und der Abwasserreinigung ein Stück umweltfreundlicher zu gestalten. Es brauche aber noch viel Forschung auf dem Gebiet, um beispielsweise zu klären, ob das Wachstum von Comammox-Bakterien anstelle anderer Nitrifikanten gefördert werden kann.

Service: https://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-09790-x

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