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Klein, aber viel­sei­tig: Schlüs­sel­or­ga­nis­men im ma­ri­nen Stick­stoff­kreis­lauf nut­zen Cya­nat und Harn­stoff

10.12.2018

Ammoniak-oxidierende Archaeen, oder Thaumarchaea, zählen zu den häufigsten Mikroorganismen im Meer. Allerdings sind immer noch viele Aspekte ihrer Ökologie unerforscht, die zum Erfolg dieser Organismen im Meer beitragen: In einer Studie konnte nun ein Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie und der Universität Wien zeigen, dass marine Thaumarchaea einen vielseitigeren Stoffwechsel haben als bisher bekannt. Die Ergebnisse erscheinen aktuell im Fachmagazin Nature Microbiology.

Die Thau­m­ar­chaea spie­len eine Schlüs­sel­rol­le im Stick­stoff­kreis­lauf des Mee­res. Um En­er­gie zu ge­win­nen, wan­deln sie Am­mo­ni­ak, die re­du­zier­tes­te Form von Stick­stoff, zu Ni­trit um, ei­ner hö­her oxi­dier­ten Form. Die­se Mi­kro­or­ga­nis­men wur­den erst vor et­was mehr als ei­nem Jahr­zehnt ent­deckt. Sie bil­den ei­nen gro­ßen Teil der mi­kro­bi­el­len Ge­mein­schaft im Meer, und das, ob­wohl ihr Sub­strat, Am­mo­ni­um bzw. Am­mo­ni­ak, dort nur in sehr ge­rin­ger Men­ge vor­han­den ist.

Ob­wohl Thau­m­ar­chaea eine Schlüs­sel­rol­le im Stick­stoff­kreis­lauf spie­len, ist we­nig über die Phy­sio­lo­gie der Winz­lin­ge be­kannt. Ge­ne­rell wer­den sie als ab­so­lu­te Spe­zia­lis­ten an­ge­se­hen, die auf Am­mo­ni­ak als En­er­gie­quel­le an­ge­wie­sen sind. Eine neue Stu­die von Ka­tha­ri­na Kit­zin­ger und Kol­le­gIn­nen vom Max-Planck-In­sti­tut für ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie in Bre­men, der Uni­ver­si­tät Wien (Öster­reich), dem Geor­gia In­sti­tu­te for Tech­no­lo­gy (USA), der Carl von Os­sietz­ky Uni­ver­si­tät Ol­den­burg und der Uni­ver­si­tät Bre­men weist dar­auf hin, dass die­se An­nah­me nicht im­mer zu­trifft. Denn ma­ri­ne Am­mo­ni­ak-oxi­die­ren­de Ar­chae­en kön­nen auch or­ga­ni­sche Stick­stoff­ver­bin­dun­gen ver­wen­den.

Bildlegende 1: Einzelzell-Aufnahmen von Ammoniak-oxidierenden Archaeen in der Umwelt: (a) zeigt Ammoniak-oxidierende Archaeen (grün) und andere Mikroorganismen (blau); (b) zeigt die Cyanat-Aufnahme der einzelnen Zellen. Das kann mittels NanoSIMS analysiert werden, eine Technologie, die detaillierte Einblicke in die Aktivität einzelner Zellen erlaubt. Ammoniak-oxidierende Archeen sind durch weiße Linien markiert. Die Maßstableiste zeigt 1 µm. (Copyright: Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie/ K. Kitzinger)  Bildlegende 2: Die Probenahme für die vorliegende Studie erfolgte im Golf von Mexiko. (Copyright: Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie/ K. Kitzinger)
Einzelzell-Aufnahmen von Ammoniak-oxidierenden Archaeen in der Umwelt: (a) zeigt Ammoniak-oxidierende Archaeen (grün) und andere Mikroorganismen (blau); (b) zeigt die Cyanat-Aufnahme der einzelnen Zellen. Das kann mittels NanoSIMS analysiert werden, eine Technologie, die detaillierte Einblicke in die Aktivität einzelner Zellen erlaubt. Ammoniak-oxidierende Archeen sind durch weiße Linien markiert. Die Maßstableiste zeigt 1 µm. (© Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie/ K. Kitzinger)

„Wir konn­ten zum ers­ten Mal zei­gen, dass ma­ri­ne Am­mo­ni­ak-oxi­die­ren­de Ar­chae­en so­wohl in der Um­welt, als auch in Rein­kul­tur, Cya­nat, eine ein­fa­che or­ga­ni­sche Stick­stoff­ver­bin­dung, als zu­sätz­li­che En­er­gie- und Stick­stoff­quel­le ver­wen­den kön­nen“, er­läu­tert Kit­zin­ger, die ak­tu­ell in Form ei­ner Dop­pel­pro­mo­ti­on an der Uni­ver­si­tät Bre­men und der Uni­ver­si­tät Wien pro­mo­viert. Au­ßer­dem zei­gen die Au­to­rIn­nen, dass auch Harn­stoff, eine wei­te­re or­ga­ni­sche Stick­stoff­ver­bin­dung, von den Thau­m­ar­chaea ge­nutzt wird. So­wohl Cya­nat als auch Harn­stoff sind En­er­gie- und Stick­stoff­quel­len, die im Meer häu­fig vor­kom­men. Die Fä­hig­keit der Thau­m­ar­chaea, ih­ren En­er­gie- und Stick­stoff­be­darf durch die­se Ver­bin­dun­gen zu er­gän­zen, könn­te ein Grund für den au­ßer­ge­wöhn­li­chen Er­folg die­ser Or­ga­nis­men im Meer sein.

Be­son­ders fas­zi­nie­rend ist, dass ma­ri­ne Thau­m­ar­chaea Cya­nat ver­wen­den kön­nen: „Wir sind uns noch nicht si­cher, wie die ma­ri­nen Thau­m­ar­chaea das be­werk­stel­li­gen, denn es fehlt ih­nen das klas­si­sche Re­per­toire an En­zy­men für den Cya­nat-Ab­bau“, so Kit­zin­ger. „Als nächs­tes wol­len wir her­aus­fin­den, wel­che En­zy­me die­se Or­ga­nis­men da­für ver­wen­den, ob Thau­m­ar­chaea eine noch viel­sei­ti­ge­re Phy­sio­lo­gie ha­ben als bis­her be­kannt ist, und wie die­se Viel­sei­tig­keit ihre Öko­lo­gie be­ein­flusst.“

Bildlegende 2: Die Probenahme für die vorliegende Studie erfolgte im Golf von Mexiko. (© Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie/ K. Kitzinger)
Die Probenahme für die vorliegende Studie erfolgte im Golf von Mexiko. (© Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie/ K. Kitzinger)

Ori­gi­nal­ver­öf­fent­li­chung

 

Ka­tha­ri­na Kit­zin­ger, Cory C. Pa­dil­la, Han­nah K. Mar­chant, Phil­ipp F. Hach, Craig W. Her­bold, Abiel T. Ki­da­ne, Mar­tin Kön­ne­ke, Sten Litt­mann, Ma­ria Moos­ham­mer, Jut­ta Nig­ge­mann, San­dra Pe­trov, An­dre­as Rich­ter, Frank J. Ste­wart, Mi­cha­el Wag­ner, Mar­cel M. M. Kuy­pers, Lau­ra A. Bris­tow: Cya­na­te and Urea are Sub­stra­tes for Ni­tri­fi­ca­ti­on by Thau­m­ar­chaeo­ta in the Ma­ri­ne En­vi­ron­ment. Na­tu­re Mi­cro­bio­lo­gy.

DOI: 10.1038/s41564-018-0316-2

Be­tei­lig­te In­sti­tu­te

  • Max-Planck-In­sti­tut für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie, Bre­men, Deutsch­land

  • De­part­ment für Mi­kro­bio­lo­gie und Öko­sys­tem­for­schung, Uni­ver­si­tät Wien, Öster­reich

  • School of Bio­lo­gi­cal Sci­en­ces, Geor­gia In­sti­tu­te of Tech­no­lo­gy, At­lan­ta, USA

  • For­schungs­grup­pe für Ma­ri­ne Geo­che­mie (ICBM-MPI Brü­cken­grup­pe), In­sti­tut für Che­mie und Bio­lo­gie des Mee­res, Carl von Os­sietz­ky Uni­ver­si­tät, Ol­den­burg, Deutsch­land

  • Ma­ri­ne Ar­chaea Group, MA­RUM – Zen­trum für Ma­ri­ne Um­welt­wis­sen­schaf­ten, Bre­men, Ger­ma­ny

Rück­fra­gen bit­te an:

scientist

Forschungsgruppe Biogeochemie

Dr. Hannah Marchant

MPI für Marine Mikrobiologie
Celsiusstr. 1
D-28359 Bremen

Raum: 

3135

Telefon: 

+49 421 2028-6306

Dr. Hannah Marchant

oder an die Pres­se­stel­le:

Pressereferentin

Dr. Fanni Aspetsberger

MPI für Marine Mikrobiologie
Celsiusstr. 1
D-28359 Bremen

Raum: 

1345

Telefon: 

+49 421 2028-9470

Dr. Fanni Aspetsberger
 
 
 
 
 
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