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Lexikon der Biologie: nitrifizierende Bakterien

nitrifizierende Bakterien, Nitrifizierer, Nitrifikanten, Salpeterbakterien, gramnegative, aerobe, begeißelte oder unbegeißelte, chemolithotrophe (Chemolithotrophie) Bakterien, in unterschiedliche Abstammungslinien der α- und β-Unterklasse der Proteobacteria (früher Familie Nitrobacteraceae) und der Nitrospira-Gruppe (Nitrospira) eingeordnet ( vgl. Tab. 1 ); neuerdings wurden auch anaerobe Ammoniumoxidierer gefunden, die den Planctomycetales zugeordnet werden. Die aeroben Nitrifizierer oxidieren im Energiestoffwechsel Ammonium (NH4+, Ammoniak) zu Nitrit (NO2) und weiter zu Nitrat (NO3) bzw. Salpetersäure (HNO3). Sie gehören zu den wichtigsten Organismen im Stickstoffkreislauf (Farbtafel) der Natur, da sie das bei der Mineralisation organischer Stoffe anfallende NH4+ in das leicht lösliche NO3 umwandeln. Sie sind überall im Boden (Bodenorganismen) sowie in Süß- und Meerwasser anzutreffen – besonders an Orten, wo ein umfassender Proteinabbau (Ammonifikation) stattfindet und damit NH4+ (bzw. NO2) zur Verfügung steht und Sauerstoff (O2) vorhanden ist. Ein gutes Wachstum ist nur bei neutralen oder alkalischen pH-Werten möglich; sie können aber auch aus sauren Böden (pH 4) isoliert werden. Die höchsten Bakterienkonzentrationen finden sich in den oberen Bodenschichten (ca. 10 cm), in Kläranlagen (Tropfkörpern, Belebungsbecken) und Abwasser-belasteten Flüssen; in marinen Gewässern werden sie in den oberen 200 m oder an der Sediment-Wasser-Grenzschicht gefunden. – Die nitrifizierenden Bakterien werden nach ihrem Stoffwechsel in 2 physiologische Gruppen unterteilt ( vgl. Tab. 2 ): 1) Die (aeroben) Ammoniumoxidierer, deren Gattungsnamen mit Nitroso- beginnen, oxidieren NH4+ bis zu NO2 (z.B. Nitrosomonas europaea). 2) Die (aeroben) Nitritoxidierer, deren Gattungsnamen mit Nitro- beginnen, wandeln NO2 weiter zu NO3 um (z.B. Nitrobacter winogradskyi). Es ist kein Bakterium bekannt, das chemolithotroph NH4+ direkt bis zum NO3 umsetzen kann. Die Oxidation dieser reduzierten, anorganischen Stickstoffverbindungen ist mit der Ausbildung eines Protonengradienten (protonenmotorische Kraft) und anschließender ATP-Synthese (Adenosintriphosphat) an einer (verkürzten) Atmungskette verbunden ( vgl. Abb. 1 ). Viele Formen besitzen ein ausgeprägtes inneres Membransystem, das die Komponenten der Atmungskette enthält. Die nitrifizierenden Bakterien sind C-autotroph (Autotrophie, Ernährung [Tab.]) und assimilieren Kohlendioxid (CO2) im Calvin-Zyklus (wie grüne Pflanzen). Zur Umwandlung von CO2 zu Zellsubstanz sind neben ATP noch Reduktionsäquivalente (NADH; Nicotinamidadenindinucleotid, Redoxreaktionen) notwendig. Da der Wasserstoff (bzw. Elektronen) zur Reduktion nicht direkt vom NH4+ (NH2OH) bzw. NO2 auf NAD+ übertragen werden kann (zu große Unterschiede im Redoxpotential), gewinnen die Zellen NADH in einem rückläufigen Elektronentransport an einer Atmungskette ( vgl. Abb. 2 ), die durch den Protonengradienten bzw. ATP (aus der Oxidation) angetrieben wird. Der geringe Energiegewinn und der hohe Energieverbrauch zur NADH-Bildung sind Ursache für das langsame Wachstum der nitrifizierenden Bakterien (Generationszeit: 7–14 Stunden; mikrobielles Wachstum), obwohl der Substratumsatz sehr hoch ist. Die meisten nitrifizierenden Bakterien sind obligat chemolithoautotroph (obligat autotroph) und können keine organischen Substanzen als Energiequelle nutzen. Zum Teil werden aber organische Substanzen in Zellbestandteile (neben CO2) eingebaut (mixotroph; Mixotrophie). Einige Arten (z.B. Nitrobacter) sind fakultativ chemolithoautotroph; sie verwerten wenige organische Substrate (z.B. Acetat, Pyruvat, Formiat) als Kohlenstoff- (Kohlenstoff) und Energiequelle. – Früher wurde in der Landwirtschaft angenommen, daß nitrifizierende Bakterien die Bodenfruchtbarkeit (Nährstoffverfügbarkeit) fördern, da durch die Salpetersäurebildung der Boden angesäuert und damit die Löslichkeit der Mineralstoffe, z.B. K+ (Kalium), Mg2+ (Magnesium), PO43– (Phosphat), gesteigert wird. Heute versucht man – sogar unter Einsatz von Nitrifikationsinhibitoren (z.B."N-serve" = 2-Chlor-6-trichlormethyl-pyridin) – die nitrifizierenden Bakterien zu hemmen, um die Nitratbildung im Boden zu verhindern, da Nitrat leichter ausgewaschen (Stickstoffauswaschung) wird als Ammonium. – Nitrifizierende Bakterien sind auch an der Zerstörung von Bauten (Denkmälern, Dome) aus Kalkstein, Sandstein oder Zement (Beton) beteiligt (Biokorrosion), da sie in den äußeren Schichten der porösen Steine wachsen und dort Ammoniak aus der Luft oder tierischen Exkrementen zu Salpetersäure oxidieren. In Kläranlagen wird die Nitrifikation möglichst gefördert, da dann durch eine anschließende Denitrifikationsstufe (Denitrifikation) der Stickstoff als molekularer Stickstoff (N2) aus dem Abwasser beseitigt werden kann. In Kläranlagen wurde unter anoxischen Bedingungen auch eine Ammonium-Oxidation nachgewiesen, bei der Nitrit als Elektronenakzeptor im Energiestoffwechsel und Elektronendonor zur autotrophen CO2-Assimilation dient (chemolithotrophe Nitritatmung: NH4+ + NO2 → N2 + 2H2O + freie Energie, CO2-Assimilation: CO2 + 2NO2 + H2O → CH2O [Zellmasse] + 2NO3). Die noch nicht in Reinkultur vorliegenden Bakterien gehören der Abstammungslinie der Planctomyceten an (Ordnung Planctomycetales) und wurden vorläufig als "Brocadia anammoxidans" und "Kuenenia stuttgartiensis" benannt. – Bemerkenswert ist, daß die obligat aeroben nitrifizierenden Bakterien sowohl verwandtschaftliche Beziehungen zu methanoxidierenden Bakterien als auch zu phototrophen Purpurbakterien zeigen. – Die Bedingungen zur Herstellung von Salpeter (Nitrat) zur Schießpulverherstellung aus stickstoffhaltigen organischen Exkrementen waren bereits im 15. Jahrhundert bekannt. Die Nitrifikation galt aber als ein chemischer Vorgang. Die Beteiligung von im Boden lebenden Organismen an der Nitratbildung erkannten T. Schloesing und A. Müntz (1877), die die Oxidation von Ammonium im Boden durch Chloroform und heißes Wasser hemmen konnten. Der eindeutige Nachweis, daß für diese Oxidation nitrifizierende Bakterien verantwortlich sind und daß sie einen chemolitho-autotrophen Stoffwechsel besitzen, wurde von S.N. Winogradskij (1890) geführt.

G.S.



nitrifizierende Bakterien

Abb. 1:
Verkürzte Atmungskette 1 von Ammoniumoxidierern (Nitrosomonas, Oxidation von Ammoniak und Hydroxylamin) und 2 von Nitritoxidierern (Nitrobacter, Oxidation von Nitrit):
1 Die Oxidation von Ammoniak (bzw. Ammonium) zu Nitrit durch die Ammoniumoxidierer erfolgt in 2 Stufen: Ammoniak wird erst zu Hydroxylamin (NH2OH) umgesetzt; diese Reaktion wird durch eine Ammonium-Monooxidase [AMO] katalysiert; da diese Reaktion leicht endergonisch (energieverbrauchend) ist, kann dabei kein ATP-Gewinn erfolgen. Bei der Umsetzung von Ammonium zu Hydroxylamin sind ein Cytochrom c (periplasmatisch) und Ubichinon (Q) bei der Übertragung von Elektronen auf H+ zur Wasserbildung beteiligt. In der 2. Reaktionsfolge, bei der Oxidation von Hydroxylamin zu Nitrit durch eine Hydroxylamin-Oxidoreductase [HAO], gewinnen die Zellen verwertbare Energie. Die ATP-Bildung erfolgt an einer Atmungskette durch den Aufbau eines Protonengradienten [H+]. Da das Redoxpotential von NH2OH/NO2 (+0,07 V) positiver ist als von NAD+/NADH (–0,32 V), können jedoch die Elektronen wahrscheinlich erst auf der Stufe vom membrangebunden Cytochrom c (möglicherweise auch über Ubichinon [Q]) in die Atmungskette eintreten. Der Energiegewinn ist dementsprechend geringer als bei der Oxidation von NADH.
2 Die Nitritoxidierer nutzen nur einen sehr kleinen Teil der Atmungskette aus, da das Redoxpotential von NO2/NO3 bei +0,4 V liegt. Die Elektronen können daher erst auf der Stufe des Cytochroms aa3 von der Atmungskette zur Ausbildung eines Protonengradienten [H+] aufgenommen werden; Cytochrom c ist aber an der Oxidation von Nitrit durch die Nitrit-Oxidase [NO] beteiligt. Durch den verkürzten Elektronentransport wird bei der Oxidation von NO2 zu NO3 nur 1 ATP gewonnen.



nitrifizierende Bakterien

Abb. 2: Rückläufiger Elektronentransport zur NADH-Bildung in Nitrobacter:
Bei Nitrobacter werden die Elektronen vom Nitrit auf Cytochrome übertragen. Der größte Teil der Elektronen wird unter Aufbau eines Protonengradienten [H+] (zum ATP-Gewinn) die Atmungskette abwärts zu O2 geleitet. Ein geringerer Teil der Elektronen wird, energieabhängig, stufenweise die Atmungskette aufwärts bis auf NAD+ emporgehoben, durch den Protonengradienten [H+] (bzw. unter Verbrauch von ATP, das im unteren Abschnitt der Atmungskette gewonnen wurde) angetrieben. Es ist noch unbekannt, ob die Elektronen, abhängig vom NADH- und ATP-Gehalt der Zellen, abwechselnd an einer Atmungskette zum O2 oder NAD+ geleitet werden, oder ob verschiedene Ketten entsprechend dem Bedarf an Energie und Reduktionskraft in Funktion sind.

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