Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mikrobiologen enttarnen rätselhafte "Comammox"-Mikroben

26.11.2015

Neues Kapitel in der Umwelt-Mikrobiologie

Die Nitrifikation spielt eine Schlüsselrolle im natürlichen Stickstoffkreislauf der Erde sowie in der Landwirtschaft. Seit über 100 Jahren gingen ExpertInnen davon aus, dass verschiedene Mikroorganismen für diese Abläufe verantwortlich sind.


Die Kolonie besteht aus mehreren Tausend einzelner Nitrospira-Zellen. Kolonien anderer Bakterien sind grün dargestellt. Die Bakterien wurden durch Fluoreszenz in situ-Hybridisierung visualisiert.

Copyright: Holger Daims

Ein internationales ForscherInnenteam unter der Leitung von Holger Daims und Michael Wagner, Mikrobiologen an der Universität Wien, hat nun – völlig konträr zum Lehrbuchwissen – Mikroben entdeckt, die die komplette Nitrifikation allein durchführen: ein Meilenstein in der Mikrobiologie. Die Studie erscheint aktuell in der Zeitschrift "Nature".

Stickstoff ist ein zentraler Baustein des Lebens und Teil der Nahrung aller Lebewesen. Besonders deutlich wird dies in der Landwirtschaft: Ohne Stickstoff-Dünger wäre Ackerbau im heutigen Ausmaß unmöglich. Jedoch hat die Düngung mit Stickstoff-Verbindungen nicht nur gute Seiten.

Der Stickstoffdünger wird durch die Nitrifikation chemisch umgewandelt, gelangt ins Grundwasser sowie in Flüsse und Seen und bringt die Gewässer aus ihrem ökologischen Gleichgewicht. Hinzu kommen Stickstoff-Verbindungen aus Haushalts- und Industrieabwässern, die vor allem in Ländern ohne funktionierende Abwasserreinigung die natürlichen Gewässer belasten.

Rätselhafte Nitrifikation

Der vom Menschen verursachte Stickstoff-Eintrag beeinflusst den natürlichen Stickstoffkreislauf, in dem Stickstoff-Verbindungen von bestimmten Mikroorganismen umgesetzt werden. Dazu gehören die Nitrifikanten, welche den Prozess der Nitrifikation durchführen. Dabei wird Ammonium (ein häufig eingesetzter Stickstoffdünger) zuerst zu Nitrit und anschließend das Nitrit zu Nitrat oxidiert.

Seit 125 Jahren weiß man, dass für die zwei Schritte der Nitrifikation verschiedene Mikroorganismen verantwortlich sind: die Ammoniak-Oxidierer und die Nitrit-Oxidierer. Durch ihre Zusammenarbeit läuft die Nitrifikation vollständig ab. Auf diesem Wissen basieren hunderte Studien zur Nitrifikation in der Umwelt und in Kläranlagen, wo sie wichtig für die Abwasserreinigung ist.

Jedoch: Kein Mikrobiologe hat jemals richtig verstanden, warum es die Arbeitsteilung der Nitrifikanten gibt. Eigentlich könnte eine Mikrobe, die beide Schritte der Nitrifikation ausführt, mehr Energie gewinnen und daraus Vorteile ziehen. Für diesen "kompletten" Nitrifikanten haben Mikrobiologen sich sogar einen Namen ausgedacht: "Comammox" ("complete ammonia oxidizer"). Allerdings blieb es für mehr als ein Jahrhundert ungeklärt, ob "Comammox" tatsächlich existiert.

Überraschung im russischen Öl-Bohrloch

Eine Gruppe von ForscherInnen um Holger Daims und Michael Wagner, Mikrobiologen am Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung der Universität Wien, hat das Comammox-Rätsel nun gemeinsam mit Kooperationspartnern in Russland, Dänemark und Deutschland gelöst. Das Team untersuchte eine Bakterienkultur aus einem 1.200 Meter tiefen Öl-Bohrloch in Russland. Obwohl diese Kultur Ammonium vollständig zu Nitrat umsetzte, fanden sich darin nur Bakterien der Gattung Nitrospira, die bislang als strikte Nitrit-Oxidierer galten.

Diese könnten zwar den zweiten Schritt der Nitrifikation ausführen, jedoch fehlten alle bekannten Ammoniak-Oxidierer für den ersten Schritt. "Das war ein unglaublich spannender Moment: Alle ahnten, dass in dieser Kultur etwas Neues stecken musste. Aber noch wussten wir nicht, wie groß die Überraschung sein würde", sagt Holger Daims. Erst die komplette Analyse des Erbguts aller Bakterienarten in der Kultur brachte die Antwort.

"Die Nitrospira-Bakterien besaßen alle Gene für die Oxidation von Ammoniak und von Nitrit, also für die komplette Nitrifikation. Das musste der seit langem gesuchte Comammox-Organismus sein", so Michael Wagner.

Comammox ist überall und wurde übersehen

Physiologische Experimente mit der Kultur und eine Proteom-Analyse brachten die Gewissheit, dass die Nitrospira-Bakterien tatsächlich Comammox sind. Michael Wagner erklärt: "Nitrospira sind seit langem bekannte Nitrit-Oxidierer, die fast überall vorkommen. Dass manche Nitrospira Comammox-Bakterien sind, wurde jahrzehntelang übersehen." Als die Comammox-Nitrospira enttarnt waren, konnte das Team ihr Vorkommen in vielen Böden, Gewässern und in Kläranlagen nachweisen.

"Mit diesem Befund beginnt ein neues Kapitel der Umwelt-Mikrobiologie", so Daims. "Unser Bild des Stickstoffkreislaufs,der für alles Leben auf der Erde essentiell ist, war offenbar unvollständig. Wir müssen nun die Eigenschaften von Comammox und ihre Bedeutung in der Natur und in Kläranlagen genauer untersuchen."

Die Arbeit an der Studie über Comammox wurde vom Wissenschaftsfonds (FWF) sowie vom European Research Council (ERC) gefördert.

Die MikrobiologInnen der Universität Wien publizieren ihre Ergebnisse in "Nature" gleichzeitig mit KollegInnen der Radboud University Nijmegen (Niederlande), die ebenfalls Comammox-Nitrospira identifiziert hatten. "Das Team in Nijmegen gehört zu den führenden Experten zum Thema Stickstoffkreislauf. Als wir zufällig erfuhren, dass beide Gruppen die gleiche Entdeckung gemacht hatten, vereinbarten wir, die Publikation unserer Arbeiten zu synchronisieren. Somit haben wir einen unnötigen Wettlauf, wer am schnellsten publiziert, vermieden. ", sagt Wagner.

Publikation in Nature
"Complete Nitrification by Nitrospira Bacteria": Holger Daims, Elena V. Lebedeva, Petra Pjevac, Ping Han, Craig Herbold, Mads Albertsen, Nico Jehmlich, Marton Palatinszky, Julia Vierheilig, Alexandr Bulaev, Rasmus H. Kirkegaard, Martin von Bergen, Thomas Rattei, Bernd Bendinger, Per H. Nielsen, Michael Wagner; in Nature,
DOI: 10.1038/nature16461

Wissenschaftliche Kontakte
Prof. Dipl.-Biol. Dr. Michael Wagner
Assoz. Prof. Dipl.-Biol. Dr. Holger Daims
Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung
Universität Wien
1090 Wien, Althanstraße 14
T +43-1-4277-766 00 sowie 766 04
wagner@microbial-ecology.net
daims@microbial-ecology.net

Rückfragehinweis
Mag. Alexandra Frey
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
Universitätsring 1, 1010 Wien
T +43-1-4277-175 33
M +43-664-60277-175 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. Die Universität Wien ist auch eine bedeutende Einrichtung für Weiterbildung in Österreich. 1365 gegründet, feiert die Alma Mater Rudolphina Vindobonensis im Jahr 2015 ihr 650-jähriges Gründungsjubiläum. http://www.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.

Stephan Brodicky | Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Zebrafische reparieren ihr Herz dank spezieller Zellen
23.10.2019 | Universität Bern

nachricht Chemikern der Universität Münster gelingt Herstellung neuartiger Lewis-Supersäuren auf Phosphor-Basis
22.10.2019 | Westfälische Wilhelms-Universität Münster

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: Hohlraum vermittelt starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie

Forschern ist es gelungen, mithilfe eines mikroskopischen Hohlraumes eine effiziente quantenmechanische Licht-Materie-Schnittstelle zu schaffen. Darin wird ein einzelnes Photon bis zu zehn Mal von einem künstlichen Atom ausgesandt und wieder absorbiert. Das eröffnet neue Perspektiven für die Quantentechnologie, berichten Physiker der Universität Basel und der Ruhr-Universität Bochum in der Zeitschrift «Nature».

Die Quantenphysik beschreibt Photonen als Lichtteilchen. Will man ein einzelnes Photon mit einem einzelnen Atom interagieren lassen, stellt dies aufgrund der...

Im Focus: A cavity leads to a strong interaction between light and matter

Researchers have succeeded in creating an efficient quantum-mechanical light-matter interface using a microscopic cavity. Within this cavity, a single photon is emitted and absorbed up to 10 times by an artificial atom. This opens up new prospects for quantum technology, report physicists at the University of Basel and Ruhr-University Bochum in the journal Nature.

Quantum physics describes photons as light particles. Achieving an interaction between a single photon and a single atom is a huge challenge due to the tiny...

Im Focus: Freiburger Forschenden gelingt die erste Synthese eines kationischen Tetraederclusters in Lösung

Hauptgruppenatome kommen oft in kleinen Clustern vor, die neutral, negativ oder positiv geladen sein können. Das bekannteste neutrale sogenannte Tetraedercluster ist der weiße Phosphor (P4), aber darüber hinaus sind weitere Tetraeder als Substanz isolierbar. Es handelt sich um Moleküle aus vier Atomen, deren räumliche Anordnung einem Tetraeder aus gleichseitigen Dreiecken entspricht. Bisher waren neben mindestens sechs neutralen Versionen wie As4 oder AsP3 eine Vielzahl von negativ geladenen Tetraedern wie In2Sb22– bekannt, jedoch keine kationischen, also positiv geladenen Varianten.

Ein Team um Prof. Dr. Ingo Krossing vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Freiburg ist es gelungen, diese positiv geladenen...

Im Focus: Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt - obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses "Wüstenflitzers" auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.

Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der...

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

13. Aachener Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung – »Collaborate to Innovate: Making the Net Work«

22.10.2019 | Veranstaltungen

Serienfertigung von XXL-Produkten: Expertentreffen in Hannover

22.10.2019 | Veranstaltungen

Digitales-Krankenhaus – wo bleibt der Mensch?

21.10.2019 | Veranstaltungen

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

Zebrafische reparieren ihr Herz dank spezieller Zellen

23.10.2019 | Biowissenschaften Chemie

Abbau von Magnesiumlegierung auf der Nanoskala beobachtet

23.10.2019 | Materialwissenschaften

Physiker der Saar-Uni wollen neuartige Mikroelektronik entwickeln

23.10.2019 | Physik Astronomie

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