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Erde+Klima

Mikroben nutzen giftiges Stickstoffmonoxid

Einer der Bioreaktoren, mit denen die Forscher die Bakterien im Labor züchteten. (Bild: Boran Kartal)

Radikal, giftig und klimarelevant: Bisher war kein Lebewesen bekannt, das das problematische Stickstoffmonoxid (NO) für sein Wachstum nutzen kann. Doch das hat sich nun geändert: Forscher haben entdeckt, dass das Molekül für bestimmte Bakterien ein Nährstoff sein kann. Sie nutzen NO bei einem speziellen Stoffwechselweg zur Energiegewinnung, der zur Freisetzung von harmlosem molekularem Stickstoff (N2) führt. Das Ergebnis hat unter anderem deshalb eine große Bedeutung, weil Stickstoffverbindungen eine wichtige Rolle beim Treibhauseffekt spielen, sagen die Forscher.

Stickstoffmonoxid ist ein ausgesprochen vielseitiges Molekül mit großer Bedeutung in ganz unterschiedlichen Bereichen. Das giftige Gas ist sehr reaktionsfreudig und führt zur Entstehung der berüchtigten gesundheitsschädlichen Stickoxide in Abgasen von Verbrennungsmotoren. Darüber hinaus kann es in der hohen Atmosphäre die Ozonschicht unseres Planeten zerstören und es ist ein wichtiger Vorläufer des starken Treibhausfaktors Lachgas (N2O). Aber NO ist nicht nur problematisch: In Körpergeweben hat es eine wichtige Bedeutung als Signalüberträger. Es wird dort durch bestimmte Enzyme gezielt gebildet.

Ein besonderes Molekül im Fokus

Zudem macht ein weiterer Aspekt das Stickstoffmonoxid interessant: Bevor es auf der Erde Sauerstoff zur Atmung gab, stand NO als mögliches Oxidationsmittel zur Verfügung. Es könnte demnach eine Rolle bei der Entstehung des Lebens gespielt haben, so eine Vermutung. Allerdings schien es dafür bislang keine Hinweise aus der heutigen Mikrobenwelt zu geben: Es waren keine Bakterien bekannt, die NO direkt nutzen können. Die Forscher um Boran Kartal vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen präsentieren nun jedoch Einzeller, die durch Stickstoffmonoxid wachsen.

Wie sie berichten, handelt es sich um sogenannte Anammox-Bakterien, die bekanntermaßen in der Lage sind, unter Sauerstoffmangel Ammonium (NH4+) durch die Reaktion mit Nitrit (NO2−) in Wasser, Nitrat und molekularen Stickstoff zu verwandeln. Dabei wird Energie frei, die das Bakterium nutzen kann. Offenbar können aber manche Anammox-Bakterien den Prozess der Ammoniumoxidation auch ohne Nitrit an die Reduktion von NO mit dem alleinigen Endprodukt N2 koppeln. Dies haben die Forscher durch Versuche mit dem Anammox-Bakterium Kuenenia stuttgartiensis zeigten. Diese Art ist bereit als ein „mikrobieller Mitarbeiter“ in Kläranlagen bekannt. K. stuttgartiensis kann NO sogar bei Konzentrationen nutzen, die für alle anderen Lebewesen tödlich wären, berichten die Forscher.

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Bedeutung im Rahmen des Klimawandels

Wie die Forscher betonen, ist die Produktion von N2 bei der Verwertung von NO besonders interessant. Es ist bekannt, dass einige Mikroben NO in Lachgas (N2O) umwandeln, bei dem es sich um ein starkes Treibhausgas handelt. N2 ist dagegen völlig unproblematisch. Das bedeutet: „Anammox-Bakterien können die für die Lachgasproduktion verfügbare NO-Menge reduzieren 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 menschengemachten Systemen, wie zum Beispiel in Kläranlagen, in denen diese Mikroorganismen wesentlich zur Freisetzung von N2 in die Atmosphäre beitragen“, sagt der Wissenschaftler.

Wie die Forscher erklären, werfen die Ergebnisse nun neues Licht auf den Stickstoffkreislauf der Erde. „In diesem Zusammenhang wurde Stickoxid in erster Linie als Giftstoff betrachtet. Aber jetzt zeigen wir, dass Anammox-Bakterien von der Umwandlung von NO in N2 leben können“, sagt Kartal. Daraus ergeben sich nun allerdings einige neue Fragen. „Anammox, ein auf der ganzen Welt und für unser Klima sehr wichtiger mikrobieller Prozess, kann offenbar anders funktionieren, als wir vermutet haben.“ Zudem könnten auch noch 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.

Mit der entsprechenden Suche haben er und seine Kollegen bereits begonnen: Sie fahnden nun in verschiedenen Ökosystemen auf der ganzen Welt nach weiteren NO-umwandelnden Mikroorganismen. Sie wollen letztlich besser verstehen, wie diese Mikroben das NO in Lebensräumen mit und ohne Sauerstoff verwenden. Sie hoffen in diesem Zusammenhang auch, neue Enzyme zu entdecken, die an der Stickoxidtransformation beteiligt sind. „Grundsätzlich wollen wir erst einmal verstehen, wie Organismen von NO leben können“, sagt Kartal.

Quelle: Max Planck Institute for Marine Microbiology, Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-019-09268-w

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