Sauerstoff im Dunkeln von Mikroben produziert

Erst­mals haben Forschende der Uni­ver­sität Old­en­burg und der dänis­chen Syd­dan­sk Uni­ver­siteit nachgewiesen, dass ein Archaeon in der Lage ist, Sauer­stoff zu pro­duzieren. Diese Ent­deck­ung kön­nte die bish­erige Sicht auf den mari­nen Stick­stof­fkreis­lauf verändern.

Nur wenige Mikroor­gan­is­men sind in der Lage, Sauer­stoff in völ­liger Dunkel­heit herzustellen. Ein neues Mit­glied in diesem exk­lu­siv­en Kreis ist der extrem kleine Einzeller Nitrosop­umilus mar­itimus. Er kommt häu­fig in Meeres­re­gio­nen mit sehr gerin­gen Sauer­stof­fkonzen­tra­tio­nen vor und gehört zu den Archaeen. Diese bilden neben Eukary­oten, zu denen etwa Men­schen und Tiere zählen, und Bak­te­rien die dritte Domäne, in die Wis­senschaft­lerin­nen und Wis­senschaftler alle Lebe­we­sen der Erde einteilen.

N. mar­itimus zählt dabei zu den Ammo­ni­ak-oxi­dieren­den Archaeen, die Ammo­ni­ak zu Nitrit umwan­deln kön­nen. Ver­mut­lich nutzt der unter­suchte Organ­is­mus einen bis­lang unbekan­nten Stof­fwech­sel­weg, um diesen bio­chemis­chen Prozess mit selb­st pro­duziertem Sauer­stoff durchzuführen, bericht­en Forschende der Uni­ver­sität Old­en­burg und der Syd­dan­sk Uni­ver­siteit in Odense (Däne­mark) jet­zt im Fach­magazin „Sci­ence“.

An dieser Beobach­tung hat unter anderem der Old­en­burg­er Meeresmikro­bi­ologe Prof. Dr. Mar­tin Kön­neke mit­gewirkt. Er stellte den Organ­is­mus N. mar­itimus zur Ver­fü­gung und plante die Ver­suche mit, die in Laboren der Syd­dan­sk Uni­ver­siteit durchge­führt wur­den. Dort forscht die Mikro­bi­olo­gin und Absol­ventin der Uni­ver­sität Old­en­burg, Prof. Dr. Beate Kraft, zur Bedeu­tung von Mikroor­gan­is­men für die mari­nen Stoffkreisläufen.

Bere­its vor der aktuellen Ent­deck­ung war bekan­nt, dass Ammo­ni­ak-oxi­dierende Archaeen – eine der häu­fig­sten Lebens­for­men auf dem Plan­eten – eine wichtige Rolle im Stick­stof­fkreis­lauf spie­len. Diese Organ­is­men wan­deln Ammo­ni­ak (NH3) zu Nitrit (NO2-) um und starten so einen wichti­gen biol­o­gis­chen Prozess beim Abbau von Bio­masse, die soge­nan­nte Nitrifikation.

Um Ammo­ni­ak zu Nitrit umwan­deln zu kön­nen, benöti­gen die Mikroor­gan­is­men moleku­laren Sauer­stoff. Umso erstaunlich­er schien es, dass diese Lebe­we­sen beson­ders in Gewässern ohne Sauer­stoff zahlre­ich vertreten sind. Um dieses Rät­sel zu lösen, legten die Forschen­den entsprechende Kul­turen mit sauer­stof­farmem Wass­er an. Was sie beobachteten, war erstaunlich: Nach­dem die Mikroben den let­zten Sauer­stoff aufge­braucht hat­ten, stieg der Sauer­stof­fge­halt im Wass­er sofort wieder an.

Die Wis­senschaft­lerin­nen und Wis­senschaftler wiesen damit erst­mals nach, dass ein Archaeon moleku­laren Sauer­stoff pro­duziert. Bish­er war diese Fähigkeit nur bei Organ­is­men der bei­den anderen Domä­nen beobachtet wor­den. N. mar­itimus stellt zwar nicht genug Sauer­stoff her, um das Vorkom­men auf der Erde zu bee­in­flussen, aber doch etwas mehr, als es selb­st braucht. Davon kön­nten andere Meere­sor­gan­is­men in sein­er direk­ten Umge­bung profitieren.

Mehr noch: In sauer­stof­farmer Umge­bung pro­duzieren die unter­sucht­en Mikroben auch Stick­stoff. Kraft will die Einzeller jet­zt weit­er unter­suchen. Ihr Fokus liegt dabei auf dem beobachteten Zusam­men­spiel von Sauer­stoff- und Stickstoffproduktion.

„Sollte dieser Prozess in den Ozea­nen weit ver­bre­it­et sein, müssen wir unser gegen­wär­tiges Ver­ständ­nis des mari­nen Stick­stof­fkreis­laufs überdenken.“

- Prof. Dr. Beate Kraft

Kraft studierte von 2003 bis 2009 an der Uni­ver­sität Old­en­burg und schloss mit einem Diplom in Mari­nen Umweltwissenschaften ab. Ihre Abschlus­sar­beit schrieb sie bei Kön­neke in der dama­li­gen Arbeits­gruppe Paläomikro­bi­olo­gie am Insti­tut für Chemie und Biolo­gie des Meeres (ICBM). Bei­de blieben über die fol­gen­den Jahre und ver­schiedene beru­fliche Sta­tio­nen in Kontakt.

Kön­neke ist im Som­mer 2021 nach mehrjähriger Tätigkeit am Zen­trum für Marine Umweltwissenschaften (MARUM) der Uni­ver­sität Bre­men nach Old­en­burg zurück­gekehrt. Dort leit­et er am ICBM die Arbeits­gruppe Ben­this­che Mikro­bi­olo­gie und koor­diniert das bun­desweite Forschung­spro­jekt „Kul­tivierung von bish­er unkul­tivierten Mikroor­gan­is­men aus ver­schiede­nen aquatis­chen Lebensräumen“.