Archaeen wandeln in sauren Böden Ammonium um

Bislang wurde die Rolle dieser Mikroorganismen im Stickstoffkreislauf für saure Böden unterschätzt. Den Nachweis dieser Bedeutung erbrachten jetzt Mikrobiologen mittels moderner Hochleistungssequenzierung. Die Ergebnisse sind von hoher Relevanz für andere Fachdisziplinen.

Sie sind erst seit den späten 70er-Jahren des letzten Jahrhunderts bekannt: Die anfangs für spezielle Bakterien gehaltenen Archaeen bilden neben Bakterien und Eukaryoten eine eigene Domäne zellulären Lebens. Weil sich Archaeen vor allem dadurch auszeichnen, extreme Lebensräume zu besiedeln – bis hin zu Geysiren –, gingen die meisten Wissenschaftler lange davon aus, dass sie nur eine geringe ökologische Bedeutung haben.

Dieses Bild hat sich in den letzten Jahren gewandelt, da populations-genetische Analysen von Boden- und Gewässerproben Archaeen eine wichtige Funktion in den Stoffkreisläufen der Ökosysteme nachweisen konnten. Daran knüpft auch die Arbeit von Forschern des Helmholtz Zentrums für Gesundheit und Umwelt in München sowie der Universität Aberdeen an, die jetzt online in „Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht wurde: Die Mikrobiologen konnten zeigen, dass Archaeen wesentlich daran beteiligt sind, in sauren Böden Ammoniak in Nitrat umzuwandeln.

Ammoniak ist Teil des Stickstoffzyklus‘: Wenn Pilze und Bakterien abgestorbene Biomasse zersetzen, bildet sich – je nach pH-Wert des Bodens – Ammoniak (NH3) oder Ammonium (NH4 ). Das wird von Mikroorganismen zu Nitrit und dann zu Nitrat oxidiert. Für Pflanzen ist Nitrat gegenüber Ammoniak die bevorzugte Quelle für Stickstoff. Welche Mikroorganismen diese Prozesse bei unterschiedlichen Bodenbedingungen antreiben, ist daher auch für die Pflanzenforschung von Interesse.

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Wann immer Biologen Ammoniak oxidierende Bakterien kultiviert haben, machten sie eine Feststellung: Unterhalb eines pH-Werts von 6,5 gab es praktisch kein Wachstum mehr. Das ist wenig überraschend, da sich bei niedrigem pH-Wert das Gleichgewicht zwischen Ammoniak und Ammonium zugunsten des Ammoniums verschiebt – und Mikroorganismen, die auf Ammoniak angewiesen sind, die Nahrung fehlt. Wie aber erklärt es sich dann, dass in der Natur auch in sauren Böden eine Ammoniak-Umwandlung stattfindet?

Die Antwort liefern die in diesem Zusammenhang bislang kaum untersuchten Archaeen. Mittels Hochleistungssequenzierung analysierten die Helmholtz-Forscher Bodenproben unterschiedlicher pH-Werte auf die Präsenz von amoA-Genen. Sie kodieren in Archaeen die Ammoniakmonooxygenase, die verantwortlich ist für die Umwandlung von Ammoniak. In Bodenproben mit niedrigem pH-Wert konnten die Wissenschaftler auf diese Weise einen hohen Anteil bestimmter Thaumarchaeen nachweisen, die in neutralen Böden deutlich seltener und in basischen Böden kaum vorhanden sind. Offensichtlich haben sich die Ammoniak oxydierenden Archaeen im Laufe der Evolution an unterschiedliche pH-Bereiche angepasst.

Da die in PNAS beschriebenen Thaumarchaeen in ähnlicher Menge in allen sauren Bodenproben unabhängig von der geografischen Herkunft gefunden wurden, vermuten die Forscher nun, dass diese Mikroorganismen weltweit in Böden mit niedrigem pH-Wert eine maßgebliche Bedeutung für die Ammoniakumwandlung haben. Offen bleibt die Frage, wie es den Thaumarchaeen gelingt, im sauren Milieu zu überleben.

Für die Wissenschaft ist die Arbeit der beiden Forschergruppen von zusätzlicher Relevanz: Zum einen zeigt sie, wie sich die Artenvielfalt im Boden erfolgreich auch für solche Organismen analysieren lässt, die im Labor nicht zu kultivierend sind. Zum anderen interessiert die Oxydation zu Nitrat im Boden gleich mehrere Wissenschaftsdisziplinen: die Pflanzenforschung, weil Nitrat eine so wichtige Stickstoffquelle ist; die Ökologie, weil übermäßige Nitratdüngung das Grundwasser belastet; und die Klimaforschung, weil Pflanzen unter bestimmten Umständen aus Nitrat das starke Treibhausgas N2O (Lachgas) erzeugen. Es ist daher dringend erforderlich, die Verständnislücken zu schließen, die die mikrobielle Aktivität im Boden rund um den Stickstoff betreffen.