Raketentreibstoff in der Membrantasche

Ein Bakterium und viele überraschende Entdeckungen

Anfangs galt ihre Existenz als undenkbar – seit sie entdeckt wurden, scheinen sie überall zu wirken: Wegen der Anammox-Bakterien muss sogar die globale Stickstoffbilanz neu berechnet werden. Das Wissenschaftsmagazin Nature widmet dem extravaganten Mikroorganismus in seiner aktuellen Ausgabe ein Nachrichten-Feature.

Weil die Abwässer zum Himmel stanken und die Anwohner sich beschwerten, musste eine Hefefabrik im niederländischen Delft sich etwas Neues einfallen lassen. Also verpackte sie ihre faulig riechenden Produktionsreste in versiegelte und sauerstofffreie Tanks. Weil das darin enthaltene Ammonium Sauerstoff braucht, um aufgespalten zu werden, ging man davon aus, dass dessen Konzentration in den Tanks konstant bleiben würde. Aber zur allgemeinen Überraschung stellte sich wenige Monate später heraus, dass die Ammoniumkonzentration gesunken und dafür Stickstoffgas entstanden war.

Jetzt wurden die Mikrobiologen der Universität Delft eingeschaltet. Die vermuteten zwar sofort, dass der Urheber des mysteriösen Vorgangs ein anaerobes Bakterium sein könnte. Allein glauben wollten sie es nicht. Denn nach der vorherrschenden wissenschaftlichen Lehrmeinung existierte in der Natur kein Bakterium, das Ammonium und Nitrit ohne Sauerstoff (also anaerob) in Stickstoff umwandelte.

Als die Mikrobiologen sich Proben aus den Tanks vornahmen, wurden sie schnell eines Besseren belehrt: Sie lokalisierten eine Mikrobe, nur in die vorhandenen Kategorien wollte sie nicht so recht passen. In ihrem Inneren saß eine „Membrantasche“, ein so genanntes Kompartiment, wie sie sonst nur komplexere Zellen wie die Eukaryoten besitzen. Lediglich die Bakterienart der Planktomyceten verfügt noch über dieses Merkmal, doch bei ihnen handelt es sich um aerobe Bakterien, die für ihren Stoffwechsel Sauerstoff benötigen.

Die Abkürzung durch den Stickstoffzyklus

Seine Fähigkeit, Ammonium und Nitrat zerlegen zu können, stellte das Bakterium in Laborversuchen problemlos unter Beweis. Brocadia anammoxidans, wie der Organismus getauft wurde, führte den so genannten Stickstoffkreislauf aus – ganz ohne Sauerstoff.

Bislang hielt man die Denitrifikation für den einzigen wichtigen Prozess, mit dem stickstoffhaltige Nährstoffe vermindert werden. Im ersten Schritt oxidieren dabei Mikroorganismen das Ammonium mit Sauerstoff über Nitrit zu Nitrat, das dann in der Denitrifikation schließlich als gasförmiger Stickstoff in die Atmosphäre geht. Anammox nimmt in diesem Prozess eine Abkürzung: es verwandelt Ammonium und Nitrit direkt in Stickstoffgas. Diese direkte Oxidation wird nach dem beteiligten Bakterium Anammox-Reaktion genannt (ausführliche englischsprachige Infos).

Anschub mit Raketentreibstoff

Doch Brocadia anammoxidans barg noch weitere Überraschungen. Es stellte sich nämlich heraus, dass die Anammox-Reaktion in dem kleinen Kompartiment staffindet und dabei Hydrazin produziert wird – ein Molekül, das so in der Natur eigentlich nicht vorkommt, eine nach Ammoniak riechende, äußerst giftige Stickstoffverbindung, die in Verbindung mit anderen Oxidationsmitteln sogar hoch explosiv ist. Daher kommt sie vor allem in Raketentreibstoffen vor. Beim Anammox-Bakterium, so spekulieren die Wissenschaftler, treibt der Stoff womöglich die Anammox-Reaktion an. Trotzdem bleibt die Frage, wie das Bakterium seine giftige Fracht managt, ohne dabei umzukommen, denn Hydrazin dringt mit Leichtigkeit durch Zellmembranen.

Dass das Bakterium nicht „explodiert“, liegt an der ungewöhnlichen Struktur der Membran des Kompartiments. Ihre Lipide bestehen aus fünf Ringen, deren Anordnung eine dichte Leiter formt. Diese leiterförmigen Moleküle (Ladderane) stabilisieren und machen die Membran offenbar so dicht, dass das Hydrazin nicht durchdringen kann. Versteht sich fast von selbst, dass das holländische Forscherteam, das dieser Struktur auf die Spur kam, sich seine Entdeckung sogleich patentieren ließ und nun auf das Interesse der Mikroelektronikindustrie hofft.

Verwandtschaft im Meer

Bereits in den 60er-Jahren vermuteten Meeresforscher, dass Ammonium auch unter sauerstofffreien (anoxischen) Bedingungen konsumiert wird. Damals stellte der Forscher Francis Richards fest, dass in einem sauerstofffreien (anoxisch) Fjord kein Ammonium vorhanden war. Es vermutete damals, dass es anaerob oxidiert worden sein musste, entweder unorganisch oder von einer unbekannten Mikrobe. Vierzig Jahre später wurde die These nun bewiesen. 2001 gingen Forscher des Max-Planck-Instituts für marine Mikrobiologie im Schwarzen Meer, dem größten anoxischen Basin der Welt, auf die Suche. Sie nahmen Wasserproben aus Meerestiefen, in denen der Sauerstoff fehlt und auch Ammonium nur in Spuren vorkommt. Und sie fanden ein Bakterium, das sich als Verwandter der Delfter Hefefabrik-Bakteriums herausstellte.

Seither gilt die anaerobe Ammonium-Oxidation als der wichtigste Abbauprozess für stickstoffhaltige Nährstoffe im Schwarzen Meer – und nicht nur dort. Da die Bedingungen, unter denen diese Bakterien im Schwarzen Meer leben, im Boden der Ozeane weit verbreitet sind, gehen die Wissenschaftler davon aus, dass diese Bakterien für den globalen Stickstoffkreislauf von grundlegender Bedeutung sind. Die mathematischen Modelle, die die globale Stickstoffbilanz beschreiben, müssen jetzt überarbeitet werden, denn das neu entdeckte „Leck" hat direkte Auswirkungen auf die Berechnung des Kohlenstoffkreislaufs und damit auf langfristige Klimaprognosen.

Nasenfreundliche Abwässer

Die Anammox-Mikroorganismen werden in Zukunft eine wichtige Rolle bei der Abwasserbehandlung spielen. Betreiber von Kläranlagen, Ölraffinerien und Düngerproduzenten erzeugen Millionen Liter ammoniumhaltiger Abwässer, die abgebaut werden müssen. Sie können dann auf den teuren und umweltbelastenden Einsatz von Sauerstoffgas verzichten, denn genügsame Bakterien erledigen die Umsetzung von Ammonium zu Stickstoff. Wie Nature vorrechnet ließen sich auf diese Weise 90 Prozent der Betriebskosten sparen, außerdem benötigen entsprechende Anlagen um die Hälfte weniger Platz. Im Klärwerk von Rotterdam ist die erste Anammox-basierende Großkläranlage in Betrieb – und das muss niemandem stinken.