Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die Entdeckung der Cyanatfresser

30.07.2015

Die Aktivität Ammoniak- und Nitrit-oxidierender Mikroben ist für den globalen Stickstoffkreislauf und damit für das Leben auf unserer Erde von wesentlicher Bedeutung. In einer im Fachmagazin "Nature" erschienenen Arbeit berichten ForscherInnen um Michael Wagner vom Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung der Universität Wien, dass diese Mikroben als erste bekannte Lebewesen überhaupt auch ausschließlich von Cyanat als Energiequelle leben können und manche sich dazu sogar gegenseitig füttern. Somit wurden ein neuer Umweltfaktor und ein neues Interaktionsmuster entdeckt, welche für die Verbreitung und Aktivität dieser Mikroorganismen eine wichtige Rolle spielen könnten.

Der globale Stickstoffkreislauf ist von zentraler Bedeutung für alles Leben auf der Erde und wird vor allem durch vielfältige Stoffwechselleistungen von Mikroorganismen (Bakterien und Archaeen) am Laufen gehalten.


Cyanat-abbauendes Konsortium aus Ammoniak- (rot) und Nitrit-oxidierenden Mikroben (grün). Die Mikrobengruppen wurden mit Hilfe der Fluoreszenz-In-Situ-Hybridisierung spezifisch angefärbt.

Copyright: Michael Wagner


Schematische Darstellung des Cyanatabbaus durch sich gegenseitig fütternde Ammoniak- und Nitrit-Oxidierende Mikroben.

Copyright: Michael Wagner

Um die wachsende Weltbevölkerung ernähren zu können werden in der industriellen Landwirtschaft enorme Mengen der Stickstoffverbindungen Ammonium und Harnstoff als Dünger eingesetzt, von denen aber nur ein Bruchteil von den Pflanzen aufgenommen wird. Der Rest gelangt ins Grundwasser, in Seen, Flüsse und die Ozeane und führt dort zu massiven Problemen bis hin zur Ausbildung von Todeszonen.

Somit greift der Mensch in den Stickstoffkreislauf auf ähnlich dramatische Weise wie in den Kohlenstoffkreislauf ein. Um die Folgen des Einflusses des Menschen auf den ökologisch wichtigen Stickstoffkreislauf besser vorhersagen zu können, ist es zwingend notwendig, die daran beteiligten Mikroben und vor allem deren Stoffwechseleigenschaften genauer verstehen zu lernen.

Ammoniak- und Nitrit-oxidierende Mikroben spielen bei der Umwandlung von Stickstoffverbindungen in der Umwelt eine zentrale Rolle. Trotz der inzwischen bekannten Vielfalt dieser Lebewesen gingen Mikrobiologen bisher davon aus, dass Ammoniak-oxidierende Mikroben ausschließlich in Anwesenheit von Ammonium bzw. Harnstoff als Energiequelle wachsen können. Umso überraschender ist der heute von Michael Wagner und seinem Team veröffentlichte Befund, dass das Ammoniak-oxidierende Archaeon Nitrososphaera gargensis mit Cyanat als einziger Energiequelle wachsen kann.

"Wir haben es in jahrelanger Arbeit geschafft, diesen Organismus als Reinkultur im Labor zu züchten. Durch dessen Genomsequenzierung haben wir erste Hinweise erhalten, dass es mittels eines speziellen Enzyms Cyanat verwenden könnte, indem es dieses in Ammonium und Kohlendioxid umwandelt. Durch aufwändige physiologische Studien ist es uns nun gelungen, dies experimentell nachzuweisen", erläutert Marton Palatinszky, Erstautor der Studie.

Auf den ersten Blick überraschend war die Tatsache, dass viele andere Ammoniak-oxidierende Mikroben das für die Cyanatverwertung notwendige Enzym nicht besitzen, während alle bekannten Nitrit-Oxidierer dieses Enzym produzieren. Wagner und KollegInnen konnten zeigen, dass diesem unerwarteten Verteilungsmuster eine neuartige Interaktion zwischen Ammoniak- und Nitrit-oxidierenden Mikroben zugrunde liegt.

Normalerweise füttern die Ammoniak-oxidierenden Mikroben die Nitrit-oxidierenden Bakterien, indem sie Ammoniak zu Nitrit umwandeln, welches dann von den Nitrit-Oxidierern zu Nitrat umgesetzt wird. Die Nitrit-Oxidierer sind also von den Ammoniak-Oxidierern abhängig. Im Fall von Cyanat ist das anders: Die Nitrit-Oxidierer nehmen Cyanat aus der Umwelt auf und wandeln dieses in Ammonium um, das sie ausscheiden. Mit den Nitrit-Oxidierern zusammen lebende Ammoniak-Oxidierer können dann Ammonium in Nitrit umwandeln und dadurch wachsen. Das von ihnen ausgeschiedene Nitrit dient dann wiederum den Nitrit-Oxidierern als Energiequelle.

"So können also Ammoniak- und Nitrit-oxidierende Mikroben durch wechselseitiges Füttern gemeinsam auf Cyanat wachsen, auch wenn nur die Nitrit-oxidierenden Mikroben die genetische Ausstattung zur Cyanatverwertung besitzen", erklärt Holger Daims, Co-Autor der Studie. Im Gegensatz zu ihrer seit über hundert Jahren bekannten "normalen" Interaktion vollzieht hier also der Nitrit-Oxidierer den ersten Schritt.

Cyanat ist ein aus drei Atomen (Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff) bestehendes kleines Molekül, das in der Umwelt aus Harnstoff und durch den Abbau von Blausäure, die viele Pflanzen als Fraßschutz bilden, entsteht. Erst seit zwei Jahren steht eine Methode zur Verfügung, um Cyanat in den in der Umwelt relevanten niedrigen Konzentrationen nachzuweisen. Bislang wurden mit dieser Methode aber nur wenige Meerwasserproben untersucht, in denen prompt Cyanat gefunden wurde.

"Die genetische Grundausstattung zum Cyanatabbau durch Mikroben des Stickstoffkreislaufs ist in vielen Umweltproben vorhanden. Wir bestimmen nun die Cyanatkonzentrationen und Umsatzraten in Böden, Süß- und Meerwasserproben, um die quantitative Bedeutung der Cyanatfresser für den globalen Stickstoffkreislauf abschätzen zu können. Inzwischen haben wir erste Hinweise, dass auch die in den Sauerstoff-Minimum-Zonen der Meere eine wichtige Rolle spielenden anaeroben Ammonium-Oxidierer (Anammox) Cyanat verwenden können, so dass die Verbreitung und Bedeutung der Cyanatfresser sogar noch größer als in unserer Veröffentlichung angenommen sein könnte", so Wagner abschließend.

Publikation in "Nature":
Marton Palatinszky, Craig Herbold, Nico Jehmlich, Mario Pogoda, Ping Han, Martin von Bergen, Ilias Lagkouvardos, Søren M. Karst, Alexander Galushko, Hanna Koch, David Berry, Holger Daims und Michael Wagner: Cyanate as energy source for nitrifiers, in: Nature, 12 June 2015,
DOI: 10.1038/nature14856

Wissenschaftlicher Kontakt
Univ.-Prof. Mag. Dr. Michael Wagner
Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung
Universität Wien
1090 Wien, Althanstrasse 14
M +43-664-602 77-766 00
wagner@microbial-ecology.net

Rückfragehinweis
Alexandra Frey
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
1010 Wien, Universitätsring 1
T +43-1-4277-175 33
alexandra.frey@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. 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 Kooperationspartnern, 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.

Weitere Informationen:

http://www.microbial-ecology.net
http://dmes.univie.ac.at

Stephan Brodicky | Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers
28.04.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Forschungsteam entdeckt Mechanismus zur Aktivierung der Reproduktion bei Pflanzen
28.04.2017 | Universität Hamburg

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie