Auf den Spuren der geheimnisvollen Nitrospira-Bakterien
Die meisten Menschen nutzen täglich sanitäre Anlagen, ohne darüber nachzudenken, was anschließend in den Kläranlagen mit dem Abwasser passiert. Holger Daims und sein Team von Department für Mikrobielle Ökologie der Universität Wien untersuchen in ihrem aktuellen WWTF-Projekt Nitrospira-Bakterien, die maßgeblich an der Abwasserreinigung beteiligt sind. Diese Nitrospira sind noch weitestgehend unerforscht, da sie nicht als Reinkulturen im Labor gezüchtet werden können. Mit den modernsten molekularbiologischen Mitteln soll dieses Geheimnis nun gelöst werden.
Das Geheimnis um der Nitrospira-Bakterien soll mittels molekularbiologischen Mitteln gelöst werden.
Universität Wien
Harnstoff enthält viel Stickstoff. Würde dieser ungefiltert in einen Fluss wie die Donau gelangen, käme es zu einer Eutrophierung des Gewässers, d.h. es könnte "umkippen". Um das zu verhindern, wird Abwasser in Kläranlagen von Stickstoff gesäubert. Einen wichtigen Teil dieser Aufgabe übernehmen nitrit-oxidierende Bakterien, die im Klärschlamm leben, sogenannte NOB. Je nach Anlage gehören rund zwei bis zehn Prozent aller Bakterien im Klärschlamm zur Gattung Nitrospira. Bisher ist allerdings nur sehr wenig über diese "fleißigen Stickstofffresser" bekannt. Da sie nicht in künstlichen Nährmedien im Labor gezüchtet werden können, wurden sie lange Zeit einfach übersehen.
Das wollen Holger Daims und sein Team vom Department für Mikrobielle Ökologie nun ändern: Die Forscher sind bereits seit Jahren den Geheimnissen der Nitrospira auf der Spur. Der Schlüssel liegt in der Biologie der Bakterien. Nachdem die Mikrobiologen bereits in einem ersten WWTF-Projekt ein Genom eines Nitrospira-Stammes sequenzieren konnten, sollen in dem aktuellen Projekt weitere Informationen per Genomik, Transkriptomik, Proteomik und Metabolomik gewonnen werden. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit mit dem Department für Molekulare Systembiologie der Universität Wien um Wolfram Weckwerth und Mikrobiologen der Universität Hamburg.
Komplizierte Bakterien als Herausforderung
Die Untersuchung von unkultivierten Bakterien ist eine besondere Herausforderung. Die Forscher müssen mit Belebtschlamm direkt aus der Kläranlage oder mit Anreicherungen arbeiten, die neben Nitrospira noch andere Bakterien enthalten. Um die Mikroorganismen in der Probe voneinander unterscheiden zu können, werden sie zunächst mittels "Fluoreszenz in situ Hybridisierung" eingefärbt. Im Anschluss können die Mikrobiologen durch Isotopentechniken die Stoffwechselaktivitäten der Bakterien in ihrer natürlichen Umgebung verfolgen.
"Je mehr wir über die Organismen lernen, desto höher ist auch die Chance, dass wir es irgendwann schaffen, sie als Reinkultur zu züchten. Dann wären zusätzliche Experimente möglich, die ohne solche Kulturen heute noch nicht durchführbar sind."
Nitrospira haben einen schwierigen "Job"
Nitrospira kommen nicht nur in Kläranlagen, sondern auch in der Natur vor. Ihre Lebensräume reichen dabei von arktischen Böden bis hin zu heißen Quellen. Die Aufgabe bleibt jedoch stets die gleiche: Als NOB wandeln sie das beim Stickstoffrecycling freigewordene Nitrit zu Nitrat um. "Die Nitrit-Oxidation ist ein karges Brot. Daraus kann man nicht viel Energie gewinnen. Es ist in etwa so, als würde sich ein Mensch nur von Wasser und Brot ernähren."
Trotz dieser eher schwierigen Nische gehören Nitrospira zu den am weitesten verbreiteten Bakterien. Diese Anpassung bei gleichzeitiger Vielfalt steht im Mittelpunkt des Forschungsinteresses: "Hier am Department für Mikrobielle Ökologie interessieren wir uns für die Rolle, die Mikroorganismen in der Natur spielen. Uns reizen besonders die schwer kultivierbaren Fälle. Im Fokus steht auch ihr Zusammenleben mit anderen Organismen, Symbiosen, genauso wie die Rolle, die Mikroorganismen für Menschen spielen."
Internationale Zusammenarbeit
Die Ergebnisse aus dem Projekt könnten langfristig zur Verbesserung der Abwasserreinigung beitragen. Dabei baut Holger Daims auf internationale Zusammenarbeit: "Unsere Aufgabe besteht nicht darin, Kläranlagen zu entwerfen, sondern etwas über die Bakterien herauszufinden, die in den Anlagen wichtig sind. Dieses biologische Wissen teilen wir aber gerne mit den Ingenieuren, die die Kläranlagen schließlich konzipieren und bauen." Vor allem in Entwicklungsländern, die sich bis heute vielfach keine teuren Kläranlagen leisten können, wäre eine solche Optimierung der Abwasserreinigung von Vorteil.
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