Symbiotische Bakterien liefern Stickstoffdünger

Chemosynthetische Symbionten sind Bakterien, die auf der Oberfläche oder im Inneren von Tieren leben und ihren Wirt mit Nahrung versorgen, zu der er sonst keinen Zugang hätte. Seit langem ist bekannt, dass diese Bakterien Kohlenstoff fixieren und in organischen Kohlenstoff umwandeln können. Doch nun haben die Mikrobiologin Jillian Petersen und ihre KollegInnen von der Universität Wien und dem Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie entdeckt, dass das auch mit Stickstoff möglich ist. Chemosynthetische Bakterien wandeln reaktionsträgen gasförmigen Stickstoff in eine Form um, die auch andere Lebewesen gut nutzen können. Sie düngen damit einen Lebensraum, in dem das Wachstum häufig durch einen Mangel an verfügbarem Stickstoff begrenzt wird.

Petersen und ihre KollegInnen entdeckten die stickstofffixierenden Symbionten als Untermieter von Mondmuscheln und Fadenwürmern. Vertreter dieser Gruppen leben in Küstengewässern auf der ganzen Welt. In manchen Regionen gelten die Muscheln sogar als Delikatesse. Die Chemosynthese ist die besondere Fähigkeit der Bakterien, ganz ohne Sonnenlicht und nur aus chemischer Energie Biomasse zu erzeugen. Diese symbiotische Primärproduktion ist effizient genug, um sowohl das Bakterium als auch seinen Wirt zu ernähren.

Neu: Stickstofffixierung bei chemosynthetischen Symbionten
Die ForscherInnen um Petersen nutzten modernste Methoden zur DNA-Sequenzierung und fanden tatsächlich in den Symbionten der Muscheln und Würmer all jene Gene, die zur Stickstofffixierung nötig sind. Sie sind damit die ersten bekannten chemosynthetischen Symbionten, die Stickstoff fixieren können. "Diese Entdeckung kam wirklich überraschend – denn die Bakterien können vermutlich auch Stickstoff aus ihrer Umgebung aufnehmen und den Stickstoffabfall ihrer Wirte wiederverwerten", sagt Petersen: "Sie müssten ihn also gar nicht aufwändig aus Stickstoffgas fixieren.“ Daher untersuchten die ForscherInnen die Muscheln auch mit Hilfe der sogenannten Transkriptomik und Proteomik – und entdeckten auch die Expression der Gene für die Stickstofffixierung. Sie sind also nicht nur vorhanden, sondern werden auch genutzt. "Das deutet darauf hin, dass die Symbionten aktiv im Inneren ihrer Wirte Stickstoff fixieren", erklärt Petersen. Und auch die Isotopenzusammensetzung des Stickstoffs zeigt, dass es sich um biologisch fixierten Stickstoff handelt und untermauert somit die Vermutung, dass die Symbionten aktiv Stickstoff fixieren.

Jillian Petersen, die eine Forschungsgruppe an der Universität Wien leitet und davor am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Deutschland forschte, leitete die Gruppe von WissenschafterInnen, die hinter dieser Veröffentlichung steht. Neben den Forschern aus Wien und Bremen waren auch die Universität Montpellier, Frankreich, die Universität Calgary, Kanada, und das Hydra-Institut in Italien beteiligt. "Den Großteil unserer Feldarbeit haben wir am Hydra-Institut in Elba durchgeführt", so Ulisse Cardini, Wissenschafter in Petersens Team und erfahrener Forschungstaucher, der viele Proben selbst an Land holte. "Zudem durften wir Proben von Nicolas Higgs vom Plymouth University Marine Institute und von John Taylor vom Natural History Museum in London nutzen. So konnten wir diese Gene für die Stickstofffixierung in Muscheln aus verschiedensten Regionen auf der ganzen Welt untersuchen – und fanden sie fast überall. Die Fähigkeit, Stickstoff zu fixieren, scheint in diesen symbiotischen Bakterien also weit verbreitet zu sein", erläutert Cardini.

Dünger für das Meer?
"Die Wissenschaft hat die Stickstofffixierung durch chemosynthetische Symbionten lange Zeit völlig übersehen", sagt Petersen. "In den späten 1970ern wurden diese Organismen in der Tiefsee entdeckt. Seitdem haben wir uns fast vier Jahrzehnte damit beschäftigt, wie die Symbionten ihren Wirten Kohlenstoff beispielsweise in Form von Zuckern bereitstellen". Aber auch Muscheln leben nicht vom Kohlenstoff allein. Die nun vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass die Symbionten einen weiteren, unerwarteten Vorteil bringen könnten. Sie peppen den Speiseplan mit Stickstoff auf. Zudem könnten sie auch ihre Umgebung düngen, indem sie verfügbaren Stickstoff freisetzen. "Dieser Frage wollen wir als nächstes nachgehen“, so Petersen: "Helfen diese symbiotischen Bakterien auch, den Ozean zu düngen?"

Publikation in Nature Microbiology:
Chemosynthetic symbionts of marine invertebrate animals are capable of nitrogen fixation: Jillian M. Petersen, Anna Kemper, Harald Gruber-Vodicka, Ulisse Cardini, Matthijs van der Geest, Manuel Kleiner, Silvia Bulgheresi, Marc Mussmann, Craig Herbold, Brandon K.B. Seah, Chakkiath Paul Antony, Dan Liu, Alexandra Belitz, Miriam Weber. Nature Microbiology (2016)
DOI: 10.1038/NMICROBIOL.2016.195