Das Düngen in der Landwirtschaft ist eine der größten Ursachen für eine erhöhte Stickstoff-Belastung.

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Mehr Effizienz für die Landwirtschaft und Wasseraufbereitung Fleißige Bakterien gegen die Stickstoff-Plage

25.08.2017

Vom verseuchten Grundwasser bis zu umgekippten Seen: Ein gestörter Stickstoff-Kreislauf hat katastrophale Folgen für die Umwelt und schlussendlich auch für die Industrie. Neuartige Bakterien wandeln Stickstoff besonders effektiv um und können so viele Prozesse in der Wasseraufbereitung unterstützen.

Ob in Trinkwaser oder Abwasser, in unberührtem oder landwirtschaftlich genutztem Boden: Überall kommt in unterschiedlichen Mengen Ammonium vor, eine Stickstoff-Verbindung, die während der Zersetzung abgestorbener Lebewesen frei wird und auch oft als Stickstoff-Dünger Verwendung findet.

Stickstoff-Kreislauf außer Gleichgewicht

Aufgrund menschlicher Aktivitäten wie der Landwirtschaft wird vielen Ökosystemen wesentlich mehr Stickstoff in Form von Ammonium zugeführt als durch natürliche Prozesse. Die Folgen reichen vom Verschwinden vieler Pflanzen über belastetes Grundwasser bis hin zum Umkippen von Gewässern, sauerstoffarmen „Todeszonen“ in den Meeren und der Ansammlung des besonders starken Treibhausgases Distickstoffmonoxid (Lachgas) in der Atmosphäre.

Mikroorganismen „entschärfen“ Ammonium

Im Stickstoff-Kreislauf wird Ammonium von Mikroorganismen zuerst in giftiges Nitrit und anschließend in das etwas harmlosere Nitrat umgewandelt. Dieser zweistufige Prozess wird Nitrifikation genannt und hat eine große Bedeutung für die Umwelt, denn Nitrat geht besonders leicht aus Böden ins Grundwasser verloren.

Daher reguliert die Nitrifikation, wie viel Stickstoff im Boden als Nährstoff für Wild- und Nutzpflanzen zur Verfügung steht und wie stark Grundwasser, Flüsse, Seen und Meere mit dem Stickstoff aus Düngern belastet werden. Die Nitrifikation ist aber auch für die Reinigung von Abwasser in Kläranlagen unerlässlich und spielt eine wichtige Rolle in der Aufbereitung von Trinkwasser.

Commamox-Bakterien als effiziente Ammonium-Killer

Einem internationalen Team unter der Leitung von Michael Wagner und Holger Daims, Mikrobiologen an der Universität Wien, gelang nun erstmals die Isolierung in Reinkultur und die exakte Charakterisierung eines "Comammox"-Bakteriums. Comammox-Bakterien (complete ammonia oxidizers) wurden von dem Team erstmalig 2015 in einem Nature-Artikel beschrieben. Commamox-Baketerien wandeln Ammonium eigenständig zu Nitrat um – andere Mikroben sind dazu auf Arbeitsteilung angewiesen, in der jeder Partner nur einen der zwei Schritte der Nitrifikation durchführt.

Langsame, aber effiziente Reinkultur

„Die Aufreinigung der Comammox-Bakterien von den anderen Mikroorganismen in der Probe war eine riesige Herausforderung, da Comammox-Bakterien sich nur langsam vermehren und wir die optimalen Bedingungen für ihre Zucht noch nicht kannten", sagt Michael Wagner. Mit der Reinkultur gelang der Nachweis, dass Comammox-Bakterien Ammonium selbst dann noch zu Nitrat umsetzen können, wenn das Ammonium nur in äußerst niedrigen Konzentrationen in ihrer Umgebung vorhanden ist.

„Comammox-Bakterien vermehren sich zwar langsam, sind dafür aber extrem effizient“, so Dimitri Kits, Erstautor der Studie.

Potenzial für neue Anwendungen

Was bedeutet dies für die Praxis in Landwirtschaft, Kläranlagen und Trinkwasseraufbereitung? „Erstmals haben wir Einblicke in die Bedeutung der rätselhaften Comammox-Bakterien für den Stickstoff-Kreislauf gewonnen. Auf dieser Basis kann man neue Ansätze entwickeln, die Nitrifikation zu kontrollieren und in technischen Systemen besser zu nutzen", erklärt Wagner: „Das könnte helfen, die Stickstoff-Problematik zu entschärfen. Jetzt müssen wir noch herausfinden, ob Comammox-Bakterien mehr oder weniger Lachgas freisetzen als andere Mikroben im Stickstoff-Kreislauf.“

Bildergalerie

  • Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Zell-Aggregats von Comammox-Bakterien der Art Nitrospira inopinata. Die spiralförmig gewundene Gestalt der Zellen ist gut erkennbar.

    Bild: Anne Daebeler und Stefano Romano

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