Nur Mikroorganismen können aus der Umwandlung von Ammoniak zu Nitrit, der sogenannten Ammoniakoxidation, Energie gewinnen. Diese Reaktion ist für einen funktionierenden Stickstoffkreislauf auf der Erde von elementarer Bedeutung und spielt auch in Kläranlagen und in landwirtschaftlich genutzten Böden eine große Rolle. In Kläranlagen macht sich der Mensch Ammoniak oxidierende Mikroorganismen zunutze, um den über Harnstoff ins Abwasser gelangenden Ammoniak, der toxisch für viele Wasserlebewesen ist, zu entgiften. In der Landwirtschaft versucht man hingegen, die Aktivität dieser Mikroorganismen durch Zugabe von Hemmstoffen zu Düngemitteln zu unterdrücken, da diese die Effizienz der Düngung verringert und zur Verunreinigung des Grundwassers mit Stickstoffverbindungen wie Nitrit und Nitrat führt.
"Der Prozess der Ammoniakoxidation und die dafür verantwortlichen Bakterien sind seit vielen Jahrzehnten bekannt und sehr gut erforscht", erklärt Univ.-Prof. Dipl.-Biol. Dr. Michael Wagner, der Leiter des Departments für Mikrobielle Ökologie: "Vor wenigen Jahren kam es allerdings zu einem überraschenden wissenschaftlichen Durchbruch: Verschiedene ForscherInnengruppen - darunter auch jene um Univ.-Prof. Dipl.-Biol. Dr. Christa Schleper, Leiterin des Departments für Ökogenetik - fanden heraus, dass es neben Bakterien auch Archaeen gibt, die Ammoniak oxidieren und dass diese Archaeen in vielen Meerwasser- und Bodenproben häufiger vorkommen als die Ammoniak oxidierenden Bakterien."
Heiße Bedingungen
Diese wissenschaftliche Erkenntnis hat für die Mikrobiologie viele neue Fragen aufgeworfen: Wie unterscheiden sich die Stoffwechselleistungen Ammoniak oxidierender Bakterien und Archaeen? Unter welchen Umweltbedingungen setzt sich welche der beiden Mikroorganismengruppen durch? Wann ist die Fähigkeit, durch die Oxidation von Ammoniak Energie zu gewinnen, erstmals in der Evolutionsgeschichte entstanden?
Vor diesem Hintergrund hat Mag. Roland Hatzenpichler, DOC-Stipendiat der Akademie der Wissenschaften am Department für Mikrobielle Ökologie, nun gemeinsam mit Holger Daims und Michael Wagner die Ammoniakoxidation in einer heißen Quelle in Russland untersucht. "Solche Quellen gehören zu den merkwürdigsten Lebensräumen der Erde, und die dort herrschenden hohen Temperaturen sind eine besondere Herausforderung für die Mikroorganismen. Außerdem ähneln sie den Bedingungen, die auf unserem Planeten zu jener Zeit vorherrschten, als das Leben und damit die ersten Mikroben entstanden", so Wagner.
Kooperationspartner aus Hamburg (Eva Spieck) und Moskau (Elena Lebedeva) gelang es in jahrelanger Arbeit, Ammoniak oxidierende Mikroorganismen aus der Quelle anzureichern. Die Mikrobiologen der Universität Wien identifizierten in diesem Mikroorganismengemisch mit Hilfe moderner molekularbiologischer Methoden ein neues Archaeon - Nitrososphaera gargensis - und zeigten, dass dieses tatsächlich in der Lage ist, Ammoniak zu oxidieren. Damit wurde nicht nur eine große Wissenslücke über den Stickstoffkreislauf in heißen Quellen geschlossen, sondern die Wissenschaft erhielt auch wertvolle Hinweise darüber, dass wärmeliebende Archaeen bereits sehr früh in der Evolutionsgeschichte die Fähigkeit zur Ammoniak-Oxidation entwickelten.
Wettlauf
Gleichzeitig mit der Gruppe um Wagner arbeiteten auch ein US-Team und ein Team um Christa Schleper an derselben Thematik: "Wir lieferten uns ein interessantes Wettrennen, aber ein sehr freundschaftliches, denn der Leiter der US-Gruppe, David Allan Stahl, ist derzeit an meinem Department Gastprofessor und Christa Schleper wurde im Herbst an die Universität Wien berufen ", so Wagner: "Und wir sind alle Gewinner, denn die Ergebnisse der drei Forschergruppen werden nun fast gleichzeitig veröffentlicht."
Ökologische Nische und wichtige Erkenntnisse
In Zusammenarbeit mit Andreas Richter vom Department für Chemische Ökologie und Ökosystemforschung wiesen Hatzenpichler, Daims und Wagner unter Einsatz isotopenmarkierter Substrate nach, dass Nitrososphaera gargensis noch bei geringen Ammoniakkonzentrationen, wie sie auch in der heißen Quelle vorkommen, aktiv ist. Hingegen wirkt schon eine leicht erhöhte Ammoniakkonzentration auf dieses Archaeon, im Gegensatz zu den meisten Ammoniak oxidierenden Bakterien, stark hemmend. Daraus lässt sich die Hypothese ableiten, dass Ammoniak oxidierende Archaeen möglicherweise generell an niedrige Ammoniakkonzentrationen angepasst sind und somit eine andere ökologische Nische besetzen als die an höhere Ammoniakkonzentrationen adaptierten Ammoniak oxidierenden Bakterien.
"Da Nitrososphaera gargensis sehr eng mit Ammoniak oxidierenden Archaeen, die im Boden vorkommen, verwandt ist, können unsere weiteren Forschungen an diesem Organismus in den nächsten Jahren nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für die Landwirtschaft interessant sein", so Wagner abschließend. (td)
Die Studie "A moderately thermophilic ammonia-oxidizing crenarchaeote from a hot spring" (Erstautor: Mag. Roland Hatzenpichler) wurde nach einem direkten Review-Prozess (direct submission) am 5. Februar 2008 im US-Wissenschaftsmagazin "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS) online publiziert. |
