Comammox-Bakterien könnten die Freisetzung von Lachgas reduzieren
Ein internationales Forscherteam hat ein kürzlich entdecktes Bakterium näher untersucht. Seine Eigenschaften könnten dazu beitragen, Düngemittel der industriellen Landwirtschaft umweltfreundlicher abzubauen.
Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Zell-Aggregats von Comammox-Bakterien. Entdeckt wurden die Mikroorganismen erst 2015.
Foto: Anne Daebeler und Stefano Romano / Universität Wien
Kohlendioxid wird fast immer an erster Stelle genannt, wenn es um schädliche Treibhausgas-Emissionen geht. Tatsache ist jedoch: Lachgas ist fast dreihundertmal stärker und greift die Ozonschicht dementsprechend massiv an. Vor alle durch die Düngemittel der industriellen Landwirtschaft wird es in größeren Mengen freigesetzt. Denn Düngemittel stimulieren Mikroorganismen, die für den Stickstoff-Kreislauf entscheidend sind. Ein Forscherteam aus Kanada, Österreich und Deutschland hat für dieses Problem eventuell eine Lösung gefunden: Das Bakterium Comammox (COMplete AMMonia OXidiser) setzt deutlich weniger Lachgas frei als andere Mikroben.
Lachgas schadet der Umwelt über mehrere Mechanismen
Stickstoffhaltiger Dünger ist für die moderne Landwirtschaft unverzichtbar. Er bringt jedoch einen großen Nachteil mit sich: Die Pflanzen, die den Stickstoff zum Wachstum nutzen, können ihn gar nicht vollständig aufnehmen. Daher wird er mit dem Regen aus dem Boden ausgewaschen und ins Grundwasser gespült. Von dort gelangt er in Flüsse, Seen und Meere – mit fatalen Folgen. Denn der Stickstoff verringert nicht nur die Qualität des Trinkwassers und führt dementsprechend zu einem höheren Aufwand bei dessen Aufbereitung, er fördert auch das Umkippen (Eutrophierung) vor allem stehender Gewässer mit dramatischen Folgen für viele Lebewesen. Ein Teil von ihnen geht an diesem Effekt schließlich zugrunde. Darüber hinaus wird bei der Umsetzung des Stickstoffs aus Düngemitteln Lachgas (N2O) freigesetzt. Das entweicht wiederum in die Atmosphäre, wo es die Ozonschicht angreift und zum Treibhauseffekt beiträgt.
Eine der häufigsten Stickstoff-Verbindungen, die sowohl in Kunstdüngern als auch in Gülle vorkommt, ist Harnstoff. Dieser wird im Boden in Ammonium umgewandelt, das Mikroorganismen schließlich zunächst in giftiges Nitrit und anschließend in das etwas harmlosere Nitrat umbauen. Bei diesem Prozess, der Nitrifikation genannt wird, entsteht Lachgas. Dessen schädliche Effekte werden zum Teil dadurch ausgeglichen, dass Stickstoff das Wachstum der Pflanzen verbessert – die der Luft im Gegenzug Kohlendioxid entziehen.
Bei Sauerstoffmangel ändert sich jedoch das Verhalten vieler Mikroben und die Menge des freigesetzten Lachgases steigt exorbitant an. Das passiert vor allem in gedüngten Böden, zum Beispiel nach Niederschlägen sowie in Kläranlagen, wo die Nitrifikation für die biologische Abwasserreinigung eingesetzt wird. Dieser Reinigungsprozess, der dazu dient, die Folgen des Düngens fürs Trinkwasser abzufangen, schadet also im Gegenzug wieder der Umwelt.
Wachstum der Comammox-Bakterien gezielt fördern
Die Forscher haben nun erstmals die Eigenschaften des Comammox-Bakteriums analysiert – dänische Forscher hatten diesen Mikroorganismus erst im Jahr 2015 entdeckt. Er ist nämlich in der Lage, Ammonium ganz allein zu Nitrat umzuwandeln, während andere Mikroben dazu auf Arbeitsteilung angewiesen sind. Dabei fanden die Wissenschaftler heraus, das Comammox selbst kein Lachgas freisetzen kann, weil ihm die dafür notwendigen Enzyme fehlen. Zwar entstehe das Treibhausgas bei den Umwandlungsprozessen trotzdem, durch eine chemische Reaktion aus Hydroxylamin, einer Substanz, die Comammox-Bakterien in ihre Umgebung abgeben. Die Menge sei jedoch deutlich geringer als die sonst übliche Lachgas-Produktion.
Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler Comammox näher erforschen. Da das Bakterium bislang noch nicht bis ins Detail analysiert wurde, ist nämlich auch nicht bekannt, welche Bedingungen es für ein optimales Wachstum benötigt. „Wenn es gelingt, gezielt das Wachstum von Comammox-Bakterien anstelle der anderen Nitrifikanten zu fördern, lassen sich die Lachgas-Emissionen in Böden und Kläranlagen vielleicht vermindern“, sagt Dimitri Kits von der Universität Wien. Lösbar sei die Stickstoff-Problematik allein mit Comammox aus seiner Sicht zwar nicht, aber eine Verringerung der Lachgas-Emissionen wäre realistisch. Ergänzend könnten die Bodeneigenschaften manipuliert werden. Etwa durch eine Erhöhung des pH-Wertes oder des Humusgehaltes des Bodens sei es vermutlich möglich, die chemische Umwandlung von Hydroxylamin in Lachgas zu minimieren. Dann wäre es unproblematisch, dass die Comammox-Bakterien Hydroxylamin ausscheiden.
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