Einfluss von Salzstress auf neuartige (moderat) thermophile Nitrit-oxidierende Bakterien

• Antragstellerin: Privatdozentin Dr. Eva Spieck
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 432963485

Nitrifikation, die biologische Oxidation von Ammoniak zu Nitrit und weiter zu Nitrat, ist von großer Bedeutung für die Umwelt, um die Anreicherung von schädlichem Ammoniak und Nitrit zu vermeiden. In Kläranlagen muss die Funktion auch unter ungünstigen Bedingungen, z. B. bei erhöhter Temperatur oder Salzstress, aufrechterhalten werden. Insbesondere die anspruchsvollen Nitrit-oxidierenden Bakterien (NOB), die den zweiten Schritt der Nitrifikation durchführen, sind nicht ausreichend erforscht. Aus geothermischen Gebieten und warmen Abwässern wurden bereits Nitrospira und verschiedene Chloroflexi NOB kultiviert, aber Metagenomdaten wiesen durch spezifische Sequenzen des Schlüsselenzyms, der Nitritoxidoreduktase (NXR), auf das Vorhandensein einer hochdiversen Gemeinschaft von bisher unbekannten NOB hin. In der ersten Phase dieses Projekts konnten durch gezielte Kultivierung neue (mäßig) thermophile Arten von Nitrospira und Nitrolancea beschrieben werden. Darüber hinaus wurden NOB-Kandidaten mit 16S rRNA Sequenzübereinstimmungen von 80-94% zu Dadabacteria, Actinobacteria, Chloroflexi, Acidobacteria, (Delta)-Proteobacteria und Nitrospirae bei erhöhten Temperaturen (37-50°C) selektiv angereichert und mit spezifischen nxrA/B- und 16S rRNA-Gensequenzen sowie ausgeprägten Morphotypen korreliert. Die molekulare Charakterisierung von Metagenom-assemblierten Genomen (MAGs) gab erste Einblicke in ihren Stoffwechsel, einschließlich der Entdeckung von Rubisco-Genen für einige Chloroflexi und Actinobakterien, was ihren chemolithoautotrophen Lebensstil unterstützt und sie von Denitrifikanten unterscheidet. In der Vergangenheit wurden neue NOB-Isolate durch verschiedene Selektionsfaktoren (Nitritkonzentration, Temperatur, Sauerstoffgehalt, pH-Wert) gewonnen, während im zweiten Teil des Projekts Salzstress (insbesondere Nitrat) in Kombination mit erhöhter Temperatur der Hauptfaktor für die Nischenbildung sein wird. Vorläufige Ergebnisse zeigten eine hohe NaCl-Toleranz von Dehalococcoides-ähnlichen NOB und neuartigen Actinobakterien. Ziel ist es, bisher unbekannte salz- und hitzetolerante NOB durch Zellsortierung hochgradig anzureichern/zu isolieren, sie physiologisch zu charakterisieren und Metagenome auf neue Stoffwechselwege zu untersuchen. RNA-basierte Genexpressions- und Metatranskriptomdaten, die unter verschiedenen Wachstumsbedingungen gewonnen werden, sollen die Aktivität neuartiger nxrGene bestätigen und Einblicke in Toleranz-Mechanismen geben. Die vielversprechendsten Kandidaten werden auf ihre Fähigkeit getestet, in Bioreaktorsystemen unter Salz- und Temperaturstress für biotechnologische Anwendungen zu wachsen. Im Hinblick auf den Klimawandel besteht ein wachsendes Interesse an der thermophilen Nitrifikation und es muss sichergestellt werden, dass landwirtschaftliche Inhibitoren immer noch auf eine sich verändernde mikrobielle Gemeinschaft wirken. Darüber hinaus sind thermophile Bakterien für evolutionäre Fragen bedeutsam.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien, Niederlande
• Kooperationspartner: Professor Dr. Sebastian Lücker; Professor Dr. Siegfried Vlaeminck