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 Aufschlussreiche Partikeltrennungen
20.07.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Bildgebung von entstehendem Narbengewebe
20.07.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

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: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Im Focus: Das Proton präzise gewogen

Wie schwer ist ein Proton? Auf dem Weg zur möglichst exakten Kenntnis dieser fundamentalen Konstanten ist jetzt Wissenschaftlern aus Deutschland und Japan ein wichtiger Schritt gelungen. Mit Präzisionsmessungen an einem einzelnen Proton konnten sie nicht nur die Genauigkeit um einen Faktor drei verbessern, sondern auch den bisherigen Wert korrigieren.

Die Masse eines einzelnen Protons noch genauer zu bestimmen – das machen die Physiker um Klaus Blaum und Sven Sturm vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

Technologietag der Fraunhofer-Allianz Big Data: Know-how für die Industrie 4.0

18.07.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - September 2017

17.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

1,4 Millionen Euro für Forschungsprojekte im Industrie 4.0-Kontext

20.07.2017 | Förderungen Preise

Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen

20.07.2017 | Physik Astronomie

Bildgebung von entstehendem Narbengewebe

20.07.2017 | Biowissenschaften Chemie