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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:

Wissenschaftlerin

Abteilung Biogeochemie

Dr. Hannah Marchant

MPI for Marine Microbiology
Celsiusstr. 1
D-28359 Bremen
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3135

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+49 421 2028-630

Dr. Hannah Marchant

Doktorandin

Abteilung Biogeochemie

Katharina Kitzinger

MPI for Marine Microbiology
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Katharina Kitzinger

oder an die Pressestelle:

Leitung der Presse & Kommunikation

Pressestelle

Dr. Fanni Aspetsberger

MPI für Marine Mikrobiologie
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Dr. Fanni Aspetsberger
 
 
 
 
 
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