Mikroorganismen im Kampf gegen die Gefahr Stickstoff

Alle reden über den Klimawandel, kaum jemand über Stickstoff. Dabei zählt die Belastung der Umwelt durch Stickstoffverbindungen zu den großen ungelösten Umweltproblemen unserer Zeit. In einer interdisziplinären Forschungsplattform suchen WissenschafterInnen der Uni Wien nach Lösungen in der Welt der Mikroorganismen.

Der massive Gebrauch von Dünger in der industriellen Landwirtschaft sichert auf der einen Seite unsere Ernährung, auf der anderen Seite wirkt er sich negativ auf unsere Umwelt aus. Die Folgen sind fatal: Durch belastete Böden und Grundwasser verschwinden Pflanzen, Gewässer kippen um ("Eutrophierung"), und sauerstoffarme "Todeszonen" entstehen in den Meeren. Freigesetztes Lachgas (N2O) befeuert den Klimawandel und trägt zur Zerstörung der Ozonschicht bei.

"Obwohl der Stickstoff eine akute Bedrohung ist, wird medial darüber kaum gesprochen", beklagt Mikrobiologe Holger Daims vom Zentrum für Mikrobiologie und Ökosystemforschung. Gemeinsam mit einem interdisziplinären Team der Uni Wien hat er sich zum Ziel gesetzt, auf dieses Problem hinzuweisen und langfristige Lösungen zu finden. Das Schlüsselwort lautet: Mikroorganismen.

2019 ist das Internationale Jahr des Periodensystems der chemischen Elemente (IYPT 2019). Vor 150 Jahren entdeckte der russische Chemiker Dmitri Mendelejew (1834-1907) einen systematischen Zusammenhang zwischen Atommasse und chemischen Eigenschaften der Elemente und schuf damit das Periodensystem. (© IYPT 2019)

Lachgas zerstört unser Klima

Mikroorganismen sind ein wichtiger Teil des Stickstoffkreislaufs unserer Erde. Zum Beispiel wandeln sie das in Kunstdünger und Gülle enthaltene Ammonium zuerst in giftiges Nitrit und anschließend in das harmlosere Nitrat um – ein Prozess, der Nitrifikation genannt wird. Nach der Umwandlung in Nitrit und Nitrat haftet der Stickstoff viel schlechter am Boden und wird bei Regen aus unseren Feldern ins Grundwasser gespült. In Kläranlagen hingegen entfernen Mikroorganismen den Stickstoff unserer Ausscheidungen aus dem Abwasser und tragen so zum Schutz unserer Umwelt bei.

Ein Problem ist jedoch: Bei der Umsetzung des Stickstoffs durch Mikroorganismen in Böden und auch in Kläranlagen wird Distickstoffmonoxid (Lachgas) als Nebenprodukt freigesetzt, das in die Atmosphäre entweicht. Lachgas ist ein 300-fach stärkeres Treibhausgas als CO2 und beschleunigt so die globale Erwärmung. In der Stratosphäre greift es außerdem die Ozonschicht an.

Können auch Einzelpersonen dazu beitragen, die Stickstoff-Bedrohung zu mindern? Ja, sagt Holger Daims: "Ich kann landwirtschaftliche Produkte kaufen, die nachhaltig erzeugt wurden. Sehr viel Düngemittel wird auch für die Futtermittelproduktion eingesetzt. Der Fleischkonsum ist also ebenfalls eng mit der Stickstoff-Thematik verbunden. Wäre das mehr im Bewusstsein der Menschen verankert, wäre schon viel geholfen." (© Wilhelmine Wulff/pixelio.de)

Wichtige Entdeckung: Comammox

Zur Verbesserung dieser Problematik könnte ein 2015 entdeckter Mikroorganismus namens "Comammox" beitragen, der sich von allen bislang bekannten Mikroben unterscheidet. Gefunden wurde er von einem internationalen Team unter der Leitung der Uni Wien-Mikrobiologen Michael Wagner und Holger Daims.

Die Comammox-Bakterien wandeln Ammonium ganz allein zu Nitrat um, alle anderen bislang erforschten nitrifizierenden Mikroben können dies nur zu zweit. Dieser Unterschied ist wichtig, denn Comammox reduziert das Risiko, dass sich giftiges Nitrit als Zwischenprodukt ansammelt. Erst vor kurzem machten die WissenschafterInnen eine weitere Entdeckung: "Die Comammox-Bakterien setzen deutlich weniger Lachgas frei als sehr viele andere Stickstoffdünger-umsetzende Mikroben", so Holger Daims.

Neue Forschungsplattform an der Uni Wien

Können uns die Comammox-Bakterien also bei der Stickstoffbedrohung helfen? Um das herauszufinden, wurde 2018 an der Universität Wien die "Comammox"-Forschungsplattform ins Leben gerufen, an der WissenschafterInnen aus unterschiedlichen Fachrichtungen beteiligt sind. "Um den Vorgang der Nitrifikation beeinflussen zu können, müssen wir die Mikroorganismen zunächst einmal verstehen. Das geht bei so einem komplizierten und erst kürzlich überhaupt entdeckten Forschungsgegenstand wie den Comammox-Bakterien nur in Teamarbeit", erläutert Plattform-Leiter Holger Daims.

"Ich bin wirklich begeistert von diesem spannenden, interdisziplinären Projekt, in dem wir ein Schlüsselenzym der Comammox-Bakterien – die Nitritoxidoreduktase – biochemisch und strukturell untersuchen, um auf atomarer Ebene zu verstehen, warum und wie es anders als verwandte Enzyme von 'normalen' nitrifizierenden Bakterien funktioniert", freut sich die Co-Leiterin der Forschungsplattform, Strukturbiologin Kristina Djinovic-Carugo, Department- bzw. Gruppenleiterin am Zentrum für Molekulare Biologie und den Max Perutz Labs.


"Ich finde es großartig, dass die Uni Wien diese interdisziplinäre Zusammenarbeit finanziell ermöglicht. Ich hoffe, dass die Plattform eine gewisse Flexibilität gewährleistet: Grundlagenforschung ist nicht vorhersehbar", sagt Plattform-Leiter Holger Daims. "Wir können auf eine lange Geschichte erfolgreicher Zusammenarbeit mit Holger Daims und Michael Wagner zurückblicken und ich bin überzeugt, dass wir am Anfang einer weiteren produktiven und erfolgreichen Kooperation stehen", fügt Co-Leiterin Kristina Djinovic-Carugo hinzu. (© Han-Fei Allen Tsao/Max Perutz Labs)

Lachgas-Emissionen verringern

Im Idealfall könnte die geringe Lachgasproduktion der Comammox-Bakterien sowohl in der Landwirtschaft als auch in der Abwasserreinigung gezielt eingesetzt werden, um Lachgas-Emissionen aus Böden und Kläranlagen zu verringern. Denn neben der industriellen Landwirtschaft sind auch ungeklärte Abwässer ein großes Problem. Gerade die Nitrifikation ist ein empfindlicher Prozess, so dass der effiziente Betrieb von Kläranlagen viel Know-how erfordert. "Sollte es gelingen, die Nitrifikation zu optimieren, könnte auch in Ländern, in denen aus Kostengründen bislang kaum Kläranlagen existieren, Abwasserreinigung etabliert werden", sagt Holger Daims.

Aus diesem Grund gehen die an der "Comammox"-Forschungsplattform beteiligten ForscherInnen sowohl mikrobiologisch-ökologischen als auch strukturbiologischen und biochemischen Fragestellungen nach. Mit den besten Voraussetzungen: "Wir haben an der Universität Wien die einzige bislang im Labor gezüchtete Comammox-Reinkultur", freut sich der Mikrobiologe.

"Das Wissen über die dreidimensionalen Strukturen von Schlüsselenzymen wird es uns ermöglichen zu verstehen, wie diese Enzyme funktionieren", erklärt Strukturbiologin Kristina Djinovic-Carugo: "Um die Strukturen biologischer Makromoleküle zu erforschen, züchten wir Kristalle und untersuchen sie mittels Röntgenstrahlung." (© Max Perutz Labs).

Es gibt noch viel zu tun

Der Großteil der existierenden Mikroorganismen ist noch längst nicht entdeckt. ForscherInnen schätzen, dass bis zu einer Trillion unterschiedlicher Mikroorganismenarten existieren. "Wir kennen bislang nur die Spitze des Eisbergs; das mikrobiologische Wissen steht noch am Anfang", bringt es Holger Daims auf den Punkt. Die "Comammox"-Forschungsplattform ist ein wichtiger Schritt, dieses Wissen im Hinblick auf die Vorgänge in unseren Böden und in Kläranlagen zu vertiefen, um unsere Umwelt nicht noch weiter zu belasten. (mw)

Holger Daims ist seit September 2017 Professor für Ökophysiologie der Mikroorganismen am Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft der Universität Wien. Er forscht u.a. zur Diversität und Ökophysiologie nitrifizierender Mikroorganismen, zur Mikrobiologie der biologischen Abwasserreinigung, zur Funktionellen Genomik und Evolution von Mikroorganismen und zu Methoden zur kultivierungs-unabhängigen Untersuchung von Mikroorganismen (insbesondere Mikroskopie und 2D/3D-Bildanalysetechniken).

Kristina Djinović-Carugo ist seit 2004 Professorin für Molekulare Strukturbiologie an der Universität Wien. Seit 2009 leitet sie das Department für Strukturbiologie und Computational Biology an der Uni Wien und ist Gruppenleiterin an den Max Perutz Labs, einem Joint Venture der Universität Wien und der MedUni Wien. In ihrer Forschung verbindet sie makromolekulare Kristallographie mit integrativer Strukturbiologie, um die Struktur und Funktion metallischer Enzyme zu analysieren.

Mit dem Instrument der Forschungsplattformen fördert die Universität Wien fächerübergreifende Forschungskooperationen. Die Forschungsplattform "The Comammox Research Platform" unter der Leitung von Holger Daims und Kristina Djinović-Carugo ist am Zentrum für Molekulare Biologie/Max Perutz Labs und am Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft angesiedelt. Das Projektteam besteht aus Holger Daims, Kristina Djinović-Carugo, Shurong Liu, Georg Mlynek, Andreas Richter, Michael Wagner und Wolfgang Wanek.