Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auch bei Bakterien wäscht eine Hand die andere

25.08.2015

Nitrit-Oxidierer spielen Schlüsselrollen im globalen Stickstoffkreislauf sowie in der Abwasserreinigung. Sie wandeln im engen Wechselspiel mit anderen Mikroorganismen –Ammoniak-Oxidierern – Ammoniak über Nitrit zu Nitrat um. Seit ihrer Entdeckung vor über hundert Jahren gab es jedoch nur wenige neue Erkenntnisse über die Aufgabenverteilung innerhalb dieser mikrobiellen Interaktion. Im Fachmagazin "Proceedings of the National Academy of Science" zeigt nun ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Holger Daims, Mikrobiologe an der Universität Wien, dass Nitrit-Oxidierer und ihre Aufgaben im Zusammenspiel mit Ammoniak-Oxidierern viel facettenreicher sind als bislang vermutet.

Stickstoffverbindungen und deren Recycling im globalen Stickstoffkreislauf spielen eine zentrale Rolle für das Leben auf unserem Planeten. Der Mensch greift jedoch in diesen globalen Prozess durch den exzessiven Einsatz von stickstoffhaltigen Düngemitteln massiv ein.


Die mikrobielle Vielfalt in einer Klärschlammflocke visualisiert mit der Methode der Fluoresenz in situ Hybridisierung.

Copyright: Katharina Kitzinger, Universität Wien


Schematische Gegenüberstellung der klassischen Rollenverteilung von Nitrifikanten mit dem Modell der gegenseitigen Fütterung, das in dieser Studie entdeckt wurde.

Copyright: Hanna Koch, Universität Wien

Da Pflanzen nur einen Bruchteil des Düngers, der meist aus Ammonium-Verbindungen und Harnstoff besteht, aufnehmen, wird der größte Teil des Stickstoffs aus dem Boden ausgewaschen und gelangt in Grundwasser, Flüsse und Seen.

Diese Belastung hat dramatische Folgen für das Leben in diesen Ökosystemen und führt etwa zu Fischsterben und zum "Umkippen" (die Eutrophierung) von Gewässern. Am Anfang dieser folgenschweren Kaskade steht der Prozess der Nitrifikation (Abbau von Ammoniak).

Die Nitrifikation wird in einer symbiotischen Interaktion von zwei Mikrobengruppen, den Nitrifikanten, durchgeführt. Ammoniak-oxidierende Mikroben wandeln Ammoniak zu Nitrit um, welches dann von Nitrit-oxidierenden Bakterien zu Nitrat umgesetzt wird. Das Nitrat wird jedoch leicht aus den Böden ausgewaschen.

So problematisch die Aktivität dieser Mikroben für die Landwirtschaft ist, so wichtig ist sie andererseits für die biologische Abwasserreinigung. In Kläranlagen helfen Nitrifikanten nämlich bei der Beseitigung von schädlichen Stickstoffverbindungen.

Um die Auswirkungen des menschlichen Eingreifens auf den Stickstoffkreislauf besser prognostizieren zu können und um Prozesse in der Abwasserreinigung noch effizienter zu machen, ist es essentiell, die Nitrifikanten und ihre Stoffwechseleigenschaften genauer zu untersuchen und besser zu verstehen.

Nitrit-Produzenten statt Nitrit-Konsumenten

Die in der Natur weit verbreiteten Nitrospira-Bakterien übernehmen auch in Kläranlagen wichtige Aufgaben bei der Nitrifikation. Lange Zeit hielt man Nitrospira für hoch spezialisierte Mikroben, die nur in Anwesenheit von Nitrit und Sauerstoff wachsen.

Nun hat ein Team von ForscherInnen aus Österreich, Dänemark, den Niederlanden und Deutschland gezeigt, dass der Stoffwechsel von Nitrospira weitaus vielseitiger ist als bisher angenommen. Zusätzlich zu Nitrit können sie auch Formiat, ein häufiges Gärungsprodukt, verwerten. Besonders überraschend ist es, dass Nitrospira-Bakterien einfach auf Nitrat-Atmung umsteigen, wenn ihnen der Sauerstoff zum Atmen fehlt.

Allerdings führt diese Nitrat-Atmung dazu, dass Nitrospira-Bakterien plötzlich Nitrit herstellen – also genau jene Substanz, die sie normalerweise abbauen.

"In Kläranlagen und in Böden gibt es Bereiche, in denen kein Sauerstoff vorliegt. Daher ist es wichtig zu verstehen, unter welchen Bedingungen Nitrospira-Bakterien Nitrit aus Nitrat herstellen. Das giftige Nitrit möchten wir ja mit Hilfe von Nitrospira eigentlich aus dem Abwasser entfernen", erklärt Holger Daims vom Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung der Universität Wien.

Überraschende Entdeckung

Die Genomanalyse zweier Nitrospira-Arten ergab zudem, dass diese ein Enzym namens Urease besitzen, das aus Harnstoff Ammoniak freisetzt – Harnstoff ist ein weit verbreitetes Düngemittel und kommt auch im Abwasser in großen Mengen vor. Die Entdeckung der Urease in Nitrospira war eine Überraschung, denn bisher ging man davon aus, dass Nitrit-Oxidierer Harnstoff nicht verwerten können. Darüber hinaus konnten die ForscherInnen erstmals zeigen, dass Nitrospira einer anderen Mikroben-Gruppe, den sogenannten Ammoniak-Oxidierern – diese besitzen kein Urease-Enzym – Ammoniak zur Verfügung stellt.

Die Kombination macht's

So entsteht eine Situation, in der beide Mikroben-Gruppen die Energiequelle ihres Partners produzieren und sich also quasi gegenseitig füttern. Denn das Nitrit, das durch die Aktivität der Ammoniak-Oxidierer entsteht, kann wiederum von Nitrospira zum Wachstum genutzt werden.

Somit "hilft" Nitrospira den Ammoniak-Oxidierern ohne Urease dabei, Harnstoff abzubauen und profitiert selbst davon. "Unsere Befunde legen somit nahe, dass Nitrit-oxidierende Bakterien zusätzliche und bislang unbekannte Rollen im Stickstoffkreislauf übernehmen", erläutert Hanna Koch, Erstautorin der Studie und Doktorandin am Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung der Universität Wien.

Publikation in "Proceedings of the National Academy of Science":
Hanna Koch, Sebastian Lücker, Mads Albertsen, Katharina Kitzinger, Craig Herbold, Eva Spieck, Per H. Nielsen, Michael Wagner, Holger Daims (2015): Expanded metabolic versatility of ubiquitous nitrite-oxidizing bacteria from the genus Nitrospira; in Proceedings of the National Academy of Science
DOI: 10.1073/pnas.1506533112

Wissenschaftlicher Kontakt
Assoz.-Prof. Dipl.-Biol. Dr. Holger Daims
Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung
Universität Wien
1090 Wien, Althanstraße 14
T +43-1-4277-766 04
holger.daims@univie.ac.at

Rückfragehinweis
Stephan Brodicky
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
1010 Wien, Universitätsring 1
T +43-1-4277-175 41
stephan.brodicky@univie.ac.at

Die Universität Wien ist eine der ältesten und größten Universitäten Europas: An 19 Fakultäten und Zentren arbeiten rund 9.700 MitarbeiterInnen, davon 6.900 WissenschafterInnen. Die Universität Wien ist damit die größte Forschungsinstitution Österreichs sowie die größte Bildungsstätte: An der Universität Wien sind derzeit rund 92.000 nationale und internationale Studierende inskribiert. Mit über 180 Studien verfügt sie über das vielfältigste Studienangebot des Landes. Die Universität Wien ist auch eine bedeutende Einrichtung für Weiterbildung in Österreich. http://univie.ac.at

1365 gegründet, feiert die Alma Mater Rudolphina Vindobonensis im Jahr 2015 ihr 650-jähriges Gründungsjubiläum mit einem vielfältigen Jahresprogramm – unterstützt von zahlreichen Sponsoren und Kooperationspartnern. Die Universität Wien bedankt sich dafür bei ihren KooperationspartnerInnen, insbesondere bei: Österreichische Post AG, Raiffeisen NÖ-Wien, Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft, Stadt Wien, Industriellenvereinigung, Erste Bank, Vienna Insurance Group, voestalpine, ÖBB Holding AG, Bundesimmobiliengesellschaft, Mondi. Medienpartner sind: ORF, Die Presse, Der Standard.

Stephan Brodicky | Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Auf der molekularen Streckbank
24.02.2017 | Technische Universität München

nachricht Sicherungskopie im Zentralhirn: Wie Fruchtfliegen ein Ortsgedächtnis bilden
24.02.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie