TUHH: Mikrobiologen enttarnen rätselhafte „Comammox“-Mikroben

Neue grundlegende Erkenntnisse zur Nitrifikation. Artikel in „Nature“ am 24.12.2015

21.12.2015

Bakterien der Gattung Nitrospira. Manche Nitrospira können die komplette Nitrifikation allein durchführen.
Bakterien der Gattung Nitrospira. Manche Nitrospira können die komplette Nitrifikation allein durchführen. Foto: Holger Daims

Die Nitrifikation spielt eine Schlüsselrolle im natürlichen Stickstoffkreislauf der Erde. Der von Mikroorganismen durchgeführte Prozess besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Schritten. Seit über 100 Jahren gingen Experten davon aus, dass verschiedene Mikroorganismen für diese Abläufe verantwortlich sind. Ein internationales Forscherteam, unter Beteiligung der DVGW-Forschungsstelle an der Technischen Universität Hamburg (TUHH), hat nun – völlig konträr zum Lehrbuchwissen – Mikroben entdeckt, die die komplette Nitrifikation allein durchführen: ein Meilenstein in der Mikrobiologie. Publiziert wurde die Studie im renommierten Wissenschaftsjournal "Nature".

Bislang wurde die Nitrifikation als Zusammenspiel zweier Prozesse angesehen, bei dem durch verschiedene Mikroorganismen zuerst Ammonium zu Nitrit und anschließend Nitrit zu Nitrat oxidiert wird. Diese funktionelle Trennung hat die Mikrobiologen seit 125 Jahren verwundert. Seitdem sind sie auf der Suche nach dem Organismus, der die vollständige Oxidation des Ammoniums zum Nitrat in einer Zelle durchführt („Comammox" = complete ammonia oxidizer). Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Michael Wagner und Holger Daims von der Universität Wien und Partnern aus Russland, Dänemark und Deutschland zeigten nun, dass Nitrit-Oxidierer der Gattung Nitrospira zur vollständigen Nitrifikation in der Lage sind und durch die Oxidation von Ammonium zu Nitrat in einem einzigen Organismus wachsen. Die Bakterienkultur, mit der diese Entdeckung gelang, stammte aus einem 1200 m tiefen russischen Bohrloch zur Öl-Exploration. Völlig überraschend wurden funktionelle Schlüsselgene von diesen Comammox-Nitrospira in vielen Böden und Gewässern und in neuen Metagenomen von Kläranlagen und Brunnen zur Grundwasserförderung für die Trinkwasseraufbereitung nachgewiesen. „Der Nachweis der Comammox-Nitrospira im Bereich der Trinkwasseraufbereitung zeigt deutlich die weite Verbreitung dieser Bakterien in der Umwelt an“, erläutert Bernd Bendinger. Auch in der Trinkwasseraufbereitung müsste ein Umdenken erfolgen, denn Bakterien der Gattung Nitrospira könnten auch hier die wichtigsten Nitrifikanten sein“. Diese Entdeckung ändert grundlegend unser Bild von der Nitrifikation und wird voraussichtlich weitreichenden Einfluss auf zukünftige Forschung der Mikrobiologie des Stickstoffkreislaufes haben.

Die Wissenschaftler publizieren ihre Ergebnisse in "Nature" nach Abstimmung gleichzeitig mit Kollegen von der Radboud University Nijmegen (Niederlande), die in einem Biofilter einer Fischzucht ebenfalls Comammox-Nitrospira identifiziert hatten.

Bernd Bendinger ist Gruppenleiter Mikrobiologie der DVGW-Forschungsstelle an der Technischen Universität Hamburg-Harburg, die dem Institut für Wasserressourcen und Wasserversorgung angegliedert ist und von Prof. Dr.-Ing. Mathias Ernst geleitet wird. Die DVGW-Forschungsstelle führt mit einem interdisziplinären Team praxisnahe Forschung und wissenschaftliche Beratung zur Optimierung und Problemlösung für die Trinkwasserversorgung durch. Die Themen reichen von der Wassergewinnung bis zur -verteilung. Forschungsschwerpunkte sind u.a. Mikrobiologie und Wasserchemie der Trinkaufbereitung und –verteilung, Biofilme, Membranverfahren und Energieeffizienz.

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

Die Print-Versionen des Artikels erscheint in der Nature-Ausgabe 24.-31.12.2015.

Weitere Informationen
Bernd Bendinger
DVGW-Forschungsstelle TUHH
Am Schwarzenberg-Campus 3
Tel +49 40 42878 3095
E-Mail bendinger@tuhh.de

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 +43-1-4277-76600/ 76604
wagner@microbial-ecology.net
daims@microbial-ecology.net


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