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Alternativer Stickstoffkreislauf

Commamox: Bakterien, die weniger klimaschädliches Lachgas erzeugen

| Redakteur: Marc Platthaus

Lachgas ist ein fast 300-mal stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid. Es wird überwiegend durch Mikroben erzeugt, denen zu wenig Sauerstoff für die Nitrifikation zur Verfügung steht. Eine spezielle Art von Bakterien erzeugen deutlich weniger Lachgas, wie ein internationales Forscher-Team untersucht hat. Die so genannten Commamox-Bakterien könnten also zu einer geringeren Klimabelastung führen als herkömmliche Mikroben.

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Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Zell-Aggregats von Comammox-Bakterien der Art Nitrospira inopinata. Die Zellen haben einen Durchmesser von etwa 0,3 Mikrometer und sind bis zu 1,7 Mikrometer lang.
Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Zell-Aggregats von Comammox-Bakterien der Art Nitrospira inopinata. Die Zellen haben einen Durchmesser von etwa 0,3 Mikrometer und sind bis zu 1,7 Mikrometer lang.
(Bild: Anne Daebeler und Stefano Romano, Universität Wien)

Jülich – Die moderne Landwirtschaft würde ohne stickstoffhaltige Dünger nicht funktionieren. Die intensive Düngung führt jedoch zu vielen Problemen: ein Großteil des Stickstoffs wird von den Pflanzen gar nicht aufgenommen, sondern aus den Böden ausgewaschen und landet schließlich im Grundwasser, in Flüssen, Seen und Meeren. Dort bewirkt der überschüssige Stickstoff die Verminderung der Trinkwasserqualität sowie die Eutrophierung von Gewässern, mit dramatischen Folgen wie dem Absterben vieler Wasserlebewesen. Darüber hinaus wird bei der Umsetzung des Stickstoffs aus Düngemitteln durch Mikroorganismen Distickstoffmonoxid (N2O, Lachgas) als Nebenprodukt freigesetzt. Das entweicht in die Atmosphäre und trägt wesentlich zur Ozonzerstörung und globalen Erwärmung bei.

Eine der häufigsten Stickstoff-Verbindungen in Kunstdüngern und Gülle ist Ammonium bzw. Harnstoff, der wiederum im Boden in Ammonium umgewandelt wird. Im Stickstoff-Kreislauf wird Ammonium von Mikroorganismen zuerst in giftiges Nitrit und anschließend in das etwas harmlosere Nitrat umgesetzt. In diesem zweistufigen Prozess, der so genannten Nitrifikation, entsteht immer auch etwas Lachgas. Dessen Menge nimmt dramatisch zu, wenn den Mikroben buchstäblich die Luft ausgeht – bei Sauerstoffmangel setzen viele dieser „Nitrifikanten“ große Mengen des gefährlichen Treibhausgases frei. Dies geschieht nicht nur in gedüngten Böden, insbesondere nach Niederschlägen, sondern auch in Kläranlagen, wo die Nitrifikation eine zentrale Rolle für die biologische Abwasserreinigung spielt. Selbst diese, für unser sauberes Wasser so wichtigen Anlagen tragen somit zu den weltweiten Lachgas-Emissionen bei.

Commamox-Bakterien geben Hydroxylamin in die Umgebung ab

Das internationale Forscherteam aus Wien, Edmonton und Jülich hat nun erstmals die Lachgas-Produktion eines Comammox-Bakteriums untersucht. Comammox-Bakterien (complete ammonia oxidizers) wandeln Ammonium ganz allein zu Nitrat um – andere Mikroben sind dazu auf Arbeitsteilung angewiesen. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Comammox-Bakterien nicht nur viel weniger Lachgas freisetzen als die meisten anderen Nitrifikanten, die bislang untersucht wurden. Sie erzeugen die geringen Mengen gar nicht selbst – ihnen fehlen die dazu notwendigen Enzyme. Das Lachgas entsteht nur durch chemische Reaktionen aus Hydroxylamin, einer Substanz, die Comammox-Bakterien in ihre Umgebung abgeben. Diesen Mechanismus hatte das Team um Nicolas Brüggemann vor einigen Jahren zuerst beschrieben und gezeigt, dass er einen wesentlichen, wenn nicht sogar den entscheidenden Prozess der N2O-Bildung während der Nitrifikation darstellt.

Population von Commamox-Bakterien vergrößern

Die geringe Lachgas-Freisetzung durch Comammox könnte für die Landwirtschaft und die Abwasserreinigung interessant werden. Möglicherweise lassen sich die N2O-Emissionen in Böden und Kläranlagen vermindern, wenn es gelingt, gezielt das Wachstum von Comammox-Bakterien an Stelle der anderen Nitrifikanten zu fördern. Dazu muss aber der erst vor kurzem entdeckte Bakterien-Typ besser erforscht werden, etwa die Bedingungen, die sie für ein optimales Wachstum benötigen.

Die beteiligten Forscher sind sich einig, dass sich allein mit Comammox die Stickstoff-Problematik nicht lösen lässt. Ihr gezielter Einsatz könnte jedoch wertvolle Beiträge leisten. Eine weitere Möglichkeit der N2O-Minderung könnte eine gezielte Manipulation von Bodeneigenschaften sein, etwa eine Erhöhung des pH-Wertes oder des Humusgehaltes des Bodens. Dadurch ließe sich die chemische Umwandlung des von Bodenbakterien ausgeschiedenen Hydroxylamins in Lachgas minimieren.

Originalpublikation: K. Dimitri Kits, Man-Young Jung. Julia Vierheilig, Petra Pjevac; Christopher J. Sedlacek, Shurong Liu, Craig Herbold Lisa Y. Stein, Andreas Richter, Holger Wissel, Nicolas Brügemann, Michael Wagner, Holger Daims; Low yield and abiotic origin of N2Oformed by the complete nitirifier Nitrospira inopinata; Nature Communications 10, 1835,DOI: 10.1038/s41467-019-09790-x

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