Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung des Zentrums für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaften (CeMESS) der Universität Wien hat entdeckt, dass die von ihnen erstmals 2015 identifizierten Comammox-Bakterien Guanidin, eine stickstoffreiche organische Verbindung, als einzige Energie- und Stickstoffquelle nutzen können. Diese einzigartige Fähigkeit eröffnet neue Möglichkeiten für die gezielte Kultivierung dieser rätselhaften Mikroben und könnte auch einen Schlüssel zur Reduzierung landwirtschaftlicher Lachgasemissionen darstellen.
Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich veröffentlicht im Journal Natur.
Die Nitrifikation, also die Umwandlung von Ammoniak über Nitrit in Nitrat, wird von spezialisierten Mikroorganismen, den sogenannten Nitrifizierern, durchgeführt. Dieser Prozess ist für den globalen biogeochemischen Stickstoffkreislauf in praktisch allen Ökosystemen von enormer Bedeutung, spielt jedoch im globalen Wandel eine ambivalente Rolle.
Einerseits trägt die Nitrifikation zur Emission des starken Treibhausgases und ozonschädigenden Stoffes Lachgas bei und führt zu massiven Düngemittelverlusten in der Landwirtschaft, was zur Eutrophierung von Gewässern führt. Andererseits ist die Nitrifikation als biologischer Reinigungsschritt zur Nährstoffentfernung in Kläranlagen unverzichtbar und schützt so Gewässer vor zu hohem Stickstoffeintrag aus dem Abwasser. Die Studienautoren haben nun einen Weg gefunden, wie Nitrifikatoren in der Umwelt gefördert werden können, die weniger Lachgas ausstoßen.
„Grüne“ Nitrifikanten
Comammox-Bakterien gelten als „grüne“ Nitrifikanten, weil sie im Gegensatz zu vielen anderen Nitrifikanten nur geringe Mengen Lachgas als Nebenprodukt ihres Stoffwechsels produzieren und in Kläranlagen Stickstoffverbindungen effizient aus dem Abwasser entfernen. Seit der Entdeckung der Nitrifikanten im 19. Jahrhundert ging man davon aus, dass diese Mikroorganismen nur Ammoniak und Harnstoff veratmen könnten. 2015 zeigten die Forschungsgruppen um Michael Wagner und Holger Daims, dass einige Nitrifikanten auch das chemisch instabile Cyanat für ihren Energiestoffwechsel nutzen können.
„In der jüngst veröffentlichten Arbeit hat unser Team nun gezeigt, dass Comammox-Bakterien auch mit dem unkonventionellen Substrat Guanidin wachsen können“, erklärt Marton Palatinszky, Erstautor der Studie. „Die Comammox-Bakterien nutzen einen von uns strukturell und funktionell detailliert charakterisierten Transporter und ein Enzym, mit dem sie innerhalb der Zelle auf höchst energieeffiziente Weise Ammonium aus Guanidin herstellen können.“
Guanidin ist ein Stoffwechselprodukt von Mikroorganismen und Pflanzen. Über seine Rolle im Stoffwechsel von Mensch und Tier ist wenig bekannt. Es entsteht in Böden beim Abbau synthetischer Düngemittelzusätze und im Abwasser beim Abbau des häufig verwendeten Medikaments Metformin. Über die Verteilung und Weiterverarbeitung von Guanidin in der Umwelt ist jedoch wenig bekannt.
Das internationale Forscherteam, zu dem auch Mikrobiologen des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung in Leipzig und der Universität Aalborg in Dänemark gehörten, konnte nachweisen, dass Guanidin nicht nur im menschlichen Urin, sondern auch in den Exkrementen von Nutztieren vorkommt und dass Comammox-Bakterien Guanidin in Kläranlagen verwerten. Sie zeigten außerdem, dass Guanidin in landwirtschaftlichen Böden von Nitrifikanten verstoffwechselt wird.
Neue Möglichkeiten für Anbau und Lachgasreduzierung
Die Wiener Mikrobiologen versuchen nun, die weit verbreiteten Comammox-Bakterien mittels Guanidin aus Umweltproben anzureichern und zu isolieren, da derzeit weltweit nur ein Stamm in Reinkultur verfügbar ist.
„Das ist besonders vielversprechend, da keiner der anderen von uns getesteten Nitrifikantenstämme mit Guanidin als einziger Energie- und Stickstoffquelle wachsen konnte“, erklärt Katharina Kitzinger, Senior Scientist bei CeMESS. Das Team möchte außerdem untersuchen, ob die Zugabe von Guanidin zu landwirtschaftlichen Düngemitteln die Häufigkeit von Comammox-Bakterien in Ackerböden erhöhen und so die landwirtschaftlichen Lachgasemissionen reduzieren könnte.
„Ohne die enge Zusammenarbeit zahlreicher Forscherinnen und Forscher im 2023 gestarteten Exzellenzcluster „Microbiomes Drive Planetary Health“ wäre diese Arbeit nicht möglich gewesen. Für diese besondere Unterstützung gilt unser herzlicher Dank dem österreichischen Wissenschaftsfonds FWF“, sagt Studienleiter Wagner.
Weitere Informationen:
Marton Palatinszky et al, Wachstum vollständiger Ammoniakoxidatoren auf Guanidin, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07832-z. www.nature.com/articles/s41586-024-07832-z