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 Wie Krebszellen Winterschlaf halten
16.07.2018 | Universitätsklinikum Carl Gustav Carus Dresden

nachricht Feinstaub macht Bäume anfälliger gegen Trockenheit
16.07.2018 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

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: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Im Focus: First evidence on the source of extragalactic particles

For the first time ever, scientists have determined the cosmic origin of highest-energy neutrinos. A research group led by IceCube scientist Elisa Resconi, spokesperson of the Collaborative Research Center SFB1258 at the Technical University of Munich (TUM), provides an important piece of evidence that the particles detected by the IceCube neutrino telescope at the South Pole originate from a galaxy four billion light-years away from Earth.

To rule out other origins with certainty, the team led by neutrino physicist Elisa Resconi from the Technical University of Munich and multi-wavelength...

Im Focus: Magnetische Wirbel: Erstmals zwei magnetische Skyrmionenphasen in einem Material entdeckt

Erstmals entdeckte ein Forscherteam in einem Material zwei unabhängige Phasen mit magnetischen Wirbeln, sogenannten Skyrmionen. Die Physiker der Technischen Universitäten München und Dresden sowie von der Universität zu Köln können damit die Eigenschaften dieser für Grundlagenforschung und Anwendungen gleichermaßen interessanten Magnetstrukturen noch eingehender erforschen.

Strudel kennt jeder aus der Badewanne: Wenn das Wasser abgelassen wird, bilden sie sich kreisförmig um den Abfluss. Solche Wirbel sind im Allgemeinen sehr...

Im Focus: Neue Steuerung der Zellteilung entdeckt

Wenn eine Zelle sich teilt, werden sämtliche ihrer Bestandteile gleichmässig auf die Tochterzellen verteilt. UZH-Forschende haben nun ein Enzym identifiziert, das sicherstellt, dass auch Zellbestandteile ohne Membran korrekt aufgeteilt werden. Ihre Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die Behandlung von Krebs, neurodegenerative Krankheiten, Alterungsprozessen und Virusinfektionen.

Man kennt es aus der Küche: Werden Aceto balsamico und Olivenöl miteinander vermischt, trennen sich die beiden Flüssigkeiten. Runde Essigtropfen formen sich,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

Conference on Laser Polishing – LaP: Feintuning für Oberflächen

12.07.2018 | Veranstaltungen

Materialien für eine Nachhaltige Wasserwirtschaft – MachWas-Konferenz in Frankfurt am Main

11.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Feinstaub macht Bäume anfälliger gegen Trockenheit

16.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Krebszellen Winterschlaf halten

16.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Mister Raney bekommt Konkurrenz - Ein neuer Katalysator auf Nickel-Basis nutzt Nano-Strukturen

16.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics