Mi­kro­ben kön­nen auf Stick­stoff­mon­oxid (NO) wachsen

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 (N2O). 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 NO 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, in ei­ner Un­ter­su­chung, die jetzt in Nature Communications ver­öf­fent­licht wur­de. Die schaf­fen das — mit Fol­gen für un­ser Kli­ma Eine gro­ße Fra­ge zum The­ma NO 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 auf NO wächst — bis jetzt. Kar­tal und sei­ne Kol­le­gIn­nen von der Rad­boud Uni­ver­si­tät in den Nie­der­lan­den ha­ben nun ent­deckt, dass so­ge­nann­te an­ae­ro­be am­mo­ni­um­oxi­die­ren­de (Anam­m­ox*) Bak­te­ri­en NO di­rekt für ihr Wachs­tum ver­wen­den. Ge­nau­er ge­sagt: Sie kop­peln den Pro­zess der Am­mo­ni­um­oxi­da­ti­on an die Re­duk­ti­on von NO und er­zeu­gen da­bei nur mo­le­ku­la­ren Stick­stoff (N2). Letz­te­res ­– die al­lei­ni­ge Pro­duk­ti­on von N2 – ist be­son­ders fas­zi­nie­rend: Ei­ni­ge Mi­kro­ben wan­deln NO in Lach­gas (N2O) um, das ein star­kes Treib­haus­gas ist. N2 ist da­ge­gen harm­los. So ist je­des Mo­le­kül NO, das nicht in N2O son­dern statt­des­sen in N2 um­ge­wan­delt wird, ein Mo­le­kül we­ni­ger, das zum Kli­ma­wan­del bei­trägt. ​“Auf die­se Wei­se re­du­zie­ren Anam­m­ox-Bak­te­ri­en die für die Lach­gas­pro­duk­ti­on ver­füg­ba­re NO-Men­ge und in Fol­ge auch die Men­ge an frei­ge­setz­tem Treib­haus­gas”, er­klärt Kar­tal. ​“Un­se­re Stu­die hilft da­bei, zu ver­ste­hen, wie Anam­m­ox-Bak­te­ri­en die Frei­set­zung von N2O und NO steu­ern kön­nen, und zwar so­wohl in na­tür­li­chen wie auch in mensch­ge­mach­ten Öko­sys­te­men, wie zum Bei­spiel Klär­an­la­gen, in de­nen die­se Mi­kro­or­ga­nis­men we­sent­lich zur Frei­set­zung von N2 in die At­mo­sphä­re bei­tra­gen.” Den Stick­stoff­kreis­lauf neu den­ken 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 NO in N2 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 NO 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. Eine Ant­wort, vie­le neue Fra­gen Jetzt er­kun­den Kar­tal und sei­ne Grup­pe am Max-Planck-In­sti­tut in Bre­men ver­schie­de­ne Öko­sys­te­me auf der gan­zen Welt und su­chen nach spe­zi­el­len NO-um­wan­deln­den Mi­kro­or­ga­nis­men. Sie wol­len bes­ser ver­ste­hen, wie die Mi­kro­ben das NO 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 NO le­ben kön­nen.” * Was ist Anam­m­ox? 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 (N2), Wasser und Nitrat umgewandelt. Anammox verantwortet etwa die Hälfte der im Meer produzierten Menge an N2. 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 CO2 dabei freigesetzt. Quelle: Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Pressemeldung, 18.03.2019