Mikroben wachsen auf Stickstoffmonoxid


Wissenschaftler entdecken Bakterien, die das Gas zur Energieerzeugung nutzen 18. März 2019

Stickstoffmonoxid ist ein zentrales Molekül im Kreislauf des Elements Stickstoff auf der Erde. Eine Forschergruppe um Boran Kartal vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie in Bremen konnte nun nachweisen, dass manche Mikroorganismen Stickstoffmonoxid nutzen, um zu wachsen – und zwar bei Konzentrationen, die für alle anderen Lebewesen tödlich wären. Das wirft ein neues Licht auf den Stickstoffkreislauf und darauf, wie Mikroorganismen die Freisetzung von Treibhausgasen beeinflussen.

Stickstoffmonoxid ist ein faszinierendes und vielseitiges Molekül, wichtig für alle Lebewesen und unsere Umwelt: Es ist giftig und sehr reaktionsfreudig, es kann Signale übertragen, es zerstört die Ozonschicht unseres Planeten und es ist der Vorläufer des Treibhausgases Lachgas. Stickoxide sind auch Teil von Abgasen, beispielsweise aus Verbrennungsmotoren in Autos, die unserer Gesundheit schaden. Noch etwas macht Stickstoffmonoxid besonders interessant: Lange bevor es auf der Erde Sauerstoff gab, war Stickstoffmonoxid bereits als sehr energiereiches Oxidationsmittel verfügbar. Es könnte also eine grundlegende Rolle bei der Entstehung und Entwicklung des Lebens auf der Erde gespielt haben. Der Max-Planck-Wissenschaftler Boran Kartal wirft gemeinsam mit KollegInnen ein ganz neues Licht auf die mikrobiellen Verwandlungen dieses Moleküls.

Eine große Frage zu Stickstoffmonoxid blieb bisher unbeantwortet: Können Organismen dieses Molekül nutzen, um zu wachsen? “Eigentlich würde man das vermuten”, sagt Kartal, “denn Stickstoffmonoxid gibt es seit der Entstehung des Lebens auf der Erde.” Dennoch wurde noch keine Mikrobe gefunden, die darauf wächst – bis jetzt. Kartal und seine Kollegen von der Radboud Universität in den Niederlanden haben nun entdeckt, dass sogenannte anaerobe ammoniumoxidierende (Anammox) Bakterien Stickstoffmonoxid direkt für ihr Wachstum verwenden. Genauer gesagt: Sie koppeln den Prozess der Ammoniumoxidation an die Reduktion von Stickstoffmonoxid und erzeugen dabei nur molekularen Stickstoff.

Die alleinige Produktion von Stickstoff ist besonders faszinierend: Einige Mikroben wandeln Stickstoffmonoxid in Lachgas um, ein starkes Treibhausgas. Molekularer Stickstoff ist dagegen harmlos. So ist jedes Molekül Stickstoffmonoxid, das nicht in Lachgas, sondern in Stickstoff umgewandelt wird, ein Molekül weniger, das zum Klimawandel beiträgt. “Auf diese Weise reduzieren Anammox-Bakterien die für die Lachgasproduktion verfügbare Stickstoffmonoxid-Menge und in Folge auch die Menge an freigesetztem Treibhausgas”, erklärt Kartal. “Unsere Studie hilft dabei, zu verstehen, wie Anammox-Bakterien die Freisetzung von Lachgas und Stickstoffmonoxid steuern können, und zwar sowohl in natürlichen wie auch in menschgemachten Ökosystemen, wie zum Beispiel Kläranlagen, in denen diese Mikroorganismen wesentlich zur Freisetzung von Stickstoff in die Atmosphäre beitragen.”

Weit verbreitete Bakterien?

Stickoxid ist ein zentrales Molekül im weltweiten Stickstoffkreislauf. “Unsere Ergebnisse ändern einiges, was wir bisher über den Stickstoffkreislauf der Erde dachten. Stickoxid wurde in erster Linie als Giftstoff betrachtet. Aber jetzt zeigen wir, dass Anammox-Bakterien von der Umwandlung von Stickstoffmonoxid in Stickstoff leben können”, sagt Kartal. Die vorliegende Studie wirft neue Fragen auf. “Anammox, ein auf der ganzen Welt und für unser Klima sehr wichtiger mikrobieller Prozess, funktioniert anders, als wir vermutet haben.” Zudem könnten auch andere Mikroben als die hier untersuchten Stickstoffmonoxid direkt nutzen. Anammox-Bakterien sind auf dem ganzen Planeten zu finden. “Also könnten im Prinzip auch die auf Stickoxid wachsenden Anammox-Mikroben überall sein”, so Kartal weiter. 

Jetzt erkunden Kartal und seine Gruppe am Max-Planck-Institut in Bremen verschiedene Ökosysteme auf der ganzen Welt und suchen nach speziellen Stickstoffmonoxid-umwandelnden Mikroorganismen. Sie wollen besser verstehen, wie die Mikroben das Gas in Lebensräumen mit und ohne Sauerstoff verwenden. Dadurch werden vermutlich auch einige neue Enzyme entdeckt, die an der Stickoxidtransformation beteiligt sind. “Grundsätzlich wollen wir einfach verstehen, wie Organismen von diesem Gas leben können.”

Annamox

Anammox, kurz für anaerobe Ammoniumoxidation, ist ein weltweit bedeutsamer mikrobieller Teil des Stickstoffkreislaufs. Er findet in vielen natürlichen und menschgemachten Lebensräumen statt. Nitrit- und Ammoniumionen werden dabei direkt in molekularen Stickstoff, Wasser und Nitrat umgewandelt. Anammox verantwortet etwa die Hälfte der im Meer produzierten Menge an Stickstoff. Dadurch entfernt es große Mengen an Stickstoff aus dem Meer, der dann nicht mehr von anderen Organismen genutzt werden kann. So kann Anammox die Primärproduktion im Meer kontrollieren. Der Anammox-Prozess ist auch für die Abwasserbehandlung interessant. Stickstoffverbindungen mit Hilfe von Anammox-Bakterien zu entfernen ist deutlich kostengünstiger als herkömmliche Verfahren und es wird weniger Treibhausgas Kohlendioxid dabei freigesetzt.

Bild: Einer der Bioreaktoren, mit denen die Forscher Zellen von K. stuttgartiensis im Labor züchten. Die leuchtend rote Farbe entsteht durch eisenhaltige Cytochrom-C-Proteine in den Zellen. Anammox-Bakterien sind mit diesen Proteinen voll gepackt. Dazu gehören auch die Enzyme, die wichtige Reaktionen des Anammox-Prozesses durchführen und die Zellen auffällig rot färben.

© Boran Kartal, Quelle: https://www.mpg.de

Kontakt: Dr. Boran Kartal

Leiter der Gruppe Mikrobielle Physiologie

Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie, Bremen

+49 421 2028-645

bkartal@mpi-bremen.dehttps://www.mpi-bremen.de

Dr. Fanni Aspetsberger

Presse und Öffentlichkeitsarbeit

Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie, Bremen

+49 421 2028-947

presse@mpi-bremen.de

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