Vielleicht können sich ja einige von euch noch an diesen Moment erinnern, wenn zum ersten Mal in der Schule besprochen wird, wo eigentlich das Dreckwasser landet, wenn wir auf Toilette waren und spülen. Klar, in der Kanalisation. Von dort geht es dann zum nächsten Klärwerk und wird dort gereinigt, damit wir es wiederverwenden können. Für die Forschung, insbesondere die Mikrobiologie, ist dieses Wasser im Klärwerk aus vielen verschiedenen Gründen von großer Bedeutung. Denn in diesen Kläranlagen verbirgt sich eine mikroskopische Welt voller Mikroorganismen.
Und jetzt hat ein internationales Forschungsteam in diesem Wasser in den Klärwerken 14 neue Arten von Bakterien entdeckt. Einerseits ist das eine gute Nachricht, denn diese Mikroorganismen helfen dabei, das Abwasser zu reinigen. Andererseits produzieren sie Lachgas, ein Treibhausgas, das ein etwa 300 Mal höheres Erwärmungspotenzial hat als Kohlendioxid. Über diese Entdeckung und was das alles für die Abwasserreinigung bedeutet, darum geht’s in dieser Folge. Mein Name ist Stefan Ziegert, schön, dass ihr zuhört. Das Forschungsquartett – Wissenschaft bei detektor.fm in Kooperation mit der Max Planck Gesellschaft.
Dr. Jana Meluka ist Forschungsgruppenleiterin Treibhausgas am Max Planck Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen. Sie gehört zu dem Team, das diese neuen Bakterien entdeckt hat. Wie die Bakterien gefunden wurden, welche Rolle sie bei der Säuberung des Wassers spielen und warum diese auch ein Problem für unsere Umwelt sein können, darüber hat mein Kollege Wieland Mikulajczyk mit Jana Meluka gesprochen. Und er hat sie als erstes gefragt, warum eigentlich für Marine Mikrobiologen auch Klärwerke von großem Forschungsinteresse sind.
Ja, tatsächlich ist es ein bisschen ein weiter Umweg. Die meiste Arbeit bei uns widmet sich den Meeren, den Küstenmeeren, den offenen Ozeanen, von Bollargebieten bis zum Äquator. Das ist Teil meiner Studentenarbeit. Aber ein anderer Teil meiner Forschung widmet sich den Ciliaten, den Protisten. Das sind Organismen, die sehr gerne auch in Süßwassern leben, also in Seen, in Grundwasser und, wie wir jetzt gefunden haben, auch in Kläranlagen, also im Abwasser. Und da wir tatsächlich dieses Thema so weit wie möglich begreifen wollen und verstehen wollen, haben wir uns entschieden, dass wir uns da jetzt auch in die Kläranlagen vielleicht reinschauen könnten.
Also, Sie haben sich mit Ciliaten beschäftigt, haben Sie ja gerade schon gesagt, auch im Deutschen Wimperntierchen genannt. Was sind Ciliate denn genau? Was machen die eigentlich?
Ja, also Ciliaten kann man sich ziemlich gut vorstellen, schon von dem deutschen Namen. Also, die sehen tatsächlich aus wie kleine Tierchen im Mikroskop, die mit kleinen Wimpern bedeckt sind, also mit kleinen Cilien. Wimpertierchen sind eine Gruppe eukaryotischer Organismen. Also, das sind Organismen wie wir oder Pflanzen oder Tiere. Ihre Zellstruktur ist ähnlich wie unsere. Der Unterschied ist, wenn wir aus mehreren Zellen bestehen, bestehen die Wimperntierchen nur aus einzelnen Eukaryoten. Und die sind sehr weit verbreitet, leben gerne im Wasser. Und ja, sie sind sehr spannend von der ökologischen Sicht, weil sie ja eine sehr wichtige Rolle haben in diesen Umgebungen, weil sie Bakterien und andere Prokaryoten fressen. Und so regulieren die halt die Nährstoffkreisläufe indirekt, aber auch von der evolutionären Seite, weil sie halt sehr einfache Eukaryoten sind, die schon sehr, sehr lange auf der Erde leben und den großen Teil der Erdgeschichte zusammen mit den Bakterien erlebt haben und sehr gerne mit Bakterien in Kontakt kommen. Es ist natürlich spannend, sich das anzuschauen, wie die heutzutage diese Interaktionen funktionieren, weil wir uns davon hoffen zu verstehen, besser, wie sich eukaryotische Zellen, wie unsere, vielleicht entwickelt haben.
Sie haben jetzt diese Wimperntierchen, diese Ciliate untersucht und haben dabei 14 Symbiosen entdeckt. Symbiosen, Partnerschaften zwischen Lebewesen, würde ich jetzt so ganz grob runterbrechen. Warum schließen sich Bakterien und Ziliate denn zusammen? Welche Vorteile haben beide Seiten?
Ach ja, das ist eine spannende Frage. Also, Symbiose an sich ist ein Begriff, das beschreibt das Zusammenleben. Das ist schon in dem Namen enthalten, Symbiose. Aber tatsächlich, was wir Symbiose nennen, sind dann halt Partnerschaften, wo die zwei Partner von unterschiedlichen, also zwei unterschiedlichen Wesen sind, von zwei verschiedenen Arten, die dann tatsächlich sehr intim zusammenleben, also oft im physischen Kontakt und auch dauerhaft. Und dann kann man die verschiedenen Symbiosen noch klassifizieren, anhand dessen, wie sie gut sind für die unterschiedlichen Partner. Natürlich, jeder kennt halt Parasiten. Das ist eigentlich auch Symbiose, wo halt der eine Partner leidet und der andere davon profitiert. Die Symbiose, die wir studieren, ist eine mutualistische Symbiose. Das heißt, beide Partner profitieren davon. Also, mindestens in der heutigen Version der Symbiose, so wie sich diese Organismen zusammen entwickelt haben, glauben wir, dass die tatsächlich nur zusammenleben können. Also, wenn wir die jetzt auseinandernehmen würden, könnte keiner von denen mehr überleben. Das Bakterium ist einfach halt, es wurde sehr vereinfacht, es hat sein Genom vereinfacht, es hat sehr viele Funktionen verloren, die eigentlich ein Bakterium brauchen würde, wenn es alleine leben würde. Und der Wirt, glauben wir, hat sich so an das Bakterium gewöhnt, dass er die anderen Wege, die er hatte, um Energie zu gewinnen, auch verloren hat. Das heißt, im Moment gibt es nur einen gemeinsamen Weg für diese beiden oder keinen. Also, die beiden sind aufeinander angewiesen, um zu überleben.
Gibt es noch etwas Besonderes an dieser Symbiose? Sie haben ja 14 neue Spezies da entdeckt. Was ist das Besondere an den Spezies, die Sie da entdeckt haben?
Das stimmt. Also, wir waren überrascht, wenn wir in die Abwasserproben geguckt haben, welche Diversität an diesen Symbionten es da gibt. So, wir haben, man muss sagen, wir haben die Symbiose erst vor fünf Jahren entdeckt. Bevor war es gar nicht bekannt, dass es diese bestimmte Beziehung zwischen diesen Ciliaten und den Bakterien gibt. Seitdem haben wir hauptsächlich in Süßwasserseen reingeschaut und im Grundwasser, wo wir auch ein paar Spezies von den Symbionten gefunden haben. Aber die Diversität, die wir in den Abwasserproben gefunden haben, ist extrem. Und was spannend ist, ist, dass eine Spezies, die in dem Abwasser vorkommt, die wir nirgendwo anders gefunden haben vorher, das ist tatsächlich eine Spezies, die den Weg zur Energiegewinnung, die die Symbionten nutzen, verkürzt hat. Und was das heißt, ist, es hat das letzte Enzym verloren und statt Nitrat vollständig ins Stickstoffgas zu wandeln, wandelt es das Nitrat in Lachgas.
Ich würde hier kurz einen Schritt zurück machen. Können Sie kurz erklären, wie aus Nitrat Stickstoff wird und warum das eigentlich gut ist?
Genau. Denitrifikation, ein komplizierter Name, ist eine Beschreibung von einem mikrobiellen Metabolismus, der der Veratmung dient. Also, so wie wir Sauerstoff atmen, atmen diese Organismen Nitrat. Das ist ein Prozess, aber das in der Absenz von Sauerstoff stattfindet. Dadurch wird halt Nitrat reduziert, stufenweise über die Produktion von Nitrit, von NO, von Lachgas bis zum Stickstoffgas umgewandelt. Und Stickstoffgas ist ja, das tut niemandem was, das geht einfach weg aus dem Wasser in die Atmosphäre, das stört niemanden. Das ist ja super und deswegen ist dieser Prozess wichtig, weil Nitrat ist nicht so harmlos. Und die Konzentration von Nitrat im Wasser, im Grundwasser, im Trinkwasser, im Klärwasser müssen halt stark überwacht sein, weil halt Nitrat gesundheitsschädlich ist. Einerseits. Und zweitens, wenn es, sagen wir mal, aus den Kläranlagen jetzt einfach so frei rausgelassen würde in die Küstengewässer zum Beispiel oder in die Flüsse, ist es natürlich ein Nährstoff, den die Algen und die Cyanobakterien dort gerne aufnehmen und dann dadurch diese Blüten entstehen, die natürlich, wie wir alle wissen, wieder gesundheitsschädlich sind, weil da halt ganz viele Toxine produziert werden. Also, auf jeden Fall müssen wir halt als Menschen schauen, dass das Nitrat nicht in die Grundwasser gelangt, nicht in die Klärwasser und nicht in die natürlichen Gewässer gelangt.
Woher kommt denn eigentlich dieses ganze Nitrat? Es kommt hauptsächlich aus dem landwirtschaftlichen Bereich, aber auch von dem häuslichen Abwasser und industriellem Abwasser. Und dieses Nitrat, das wir halt so reichlich in die Umgebung produzieren, wird dann von den Mikroorganismen ins N2 ins Stickstoffgas umgewandelt, das dann frei einfach in die Atmosphäre gelangen kann. Aber das passiert natürlich nur, wenn die Organismen diese komplette Reaktion durchführen können. Die nehmen den Nitrat und können das komplett bis zum Stickstoff reduzieren. Das können nicht alle. Es gibt tatsächlich viele Dentrifizierer, die nur einen Teil von der Reaktion machen und dann kommt da halt ein anderer Partner dazu. Und manchmal können halt so Partnerschaften von Bakterien dann halt diese Reaktion komplett machen. Unsere Symbionten können grundsätzlich alle diesen kompletten Prozess durchziehen, was natürlich sehr gut ist, aber ein bisschen außergewöhnlich. Bis auf den Parvus, diesen kleinen Symbionten, den wir in den Klärwasser gefunden haben. Das ist der erste Symbiont, der diese Dentrifizierung verkürzt hat und diesen letzten Schritt verloren hat, wo der Lachgas in das Stickstoffgas umwandelt.
Also, Nitrat ist nicht so gut für die Umwelt, aber auch Lachgas ist jetzt nicht so gut. Warum?
Also, Lachgas ist zusammen mit Methan und Kohlendioxid, das sind die drei Haupttreibhausgase in der Atmosphäre, die zu dem Treibhauseffekt beitragen. Wir kennen ja halt die Diskussion, wie wir unsere CO2-Emissionen runterschrauben müssen. Und tatsächlich wird in den letzten Jahren auch viel über Methan geredet, weil Methan sehr kurzlebig ist und damit könnten wir uns vielleicht schon in den nächsten Jahren helfen. Lachgas ist das dritte Treibhausgas. Es ist vielleicht nicht so weit bekannt, aber es ist schon ein spezielles Treibhausgas. Erstmal, weil es sehr, sehr lange in der Atmosphäre überlebt. Es hat eine Überlebensdauer von ungefähr 120 Jahren. Das ist sehr lange. Vergleichen wir zum Beispiel zu Methan, das nur zehn Jahre überlebt und dann abgebaut wird. Zusätzlich ist es ja sehr potent. Das heißt, wenn man es zu Kohlendioxid vergleicht, ist jedes Molekül von Lachgas 300 Mal so potent wie die von Kohlendioxid. Und zusätzlich kann Lachgas das, was Kohlendioxid und Methan nicht machen. Und das heißt nämlich, dass es Ozon direkt abbaut. Also, das sind schon die drei Sachen, die das Lachgas ein bisschen problematisch machen.
Dieser Symbiont, der das macht, heißt Candidatus Azoamicus Parvus. Wie weit ist der denn verbreitet? Also, ist das jetzt ein regionales Problem? Wie oft taucht der auf?
Also, wir haben tatsächlich in unseren Studien Kläranlagen auf der ganzen Welt untersucht. Das geht heutzutage mittels Molekularmethoden, weil natürlich die Kläranlagen werden überwacht und wir haben Zugriff auf diese Sequenzen, weil die halt in den Datenbanken frei zugänglich sind. Und das hat meine Studentin gemacht. Sie hat sich halt die Arbeit gemacht, diese ganzen Sequenzen von verschiedenen Kläranlagen auf der ganzen Welt zusammengesucht und da hat sie nach diesen Symbionten dann durchgewühlt. Und es gab halt mehrere Spezies von den Symbionten, die in den unterschiedlichen Regionen vielleicht auftauchten oder in unterschiedlichen Saisonen hauptsächlich da waren. Aber dieser Azoamicus Parvus, der Parvus heißt klein, dieser kleinste Symbiont war tatsächlich am weitesten verbreitet. Das heißt, diese Kapazität, Nitrat ins Lachgas zu wandeln, war tatsächlich weiter verbreitet in dieser symbiotischen Spezies als die, die Nitrat komplett zu denitrifizieren. Und ja, das macht uns ein bisschen Sorgen.
Wir beobachten oder Sie beobachten, dass jetzt viel Lachgas entsteht. Gibt es einen Weg, dass wir jetzt sagen, okay, das können wir verhindern?
Das ist eine Frage, die ich oft bekomme. Wie können wir dieses mikrobiologische Wissen jetzt nutzen, um das irgendwie in der Praxis für die Menschheit gut zu dienen? Ich habe jetzt keine einfache Antwort für Sie, wie das machbar wäre. Ich glaube, das Hauptproblem ist, wie auch unsere Studie zeigt, dass wir nicht so ganz verstehen, welche Organismen wirklich zu dieser Lachgasproduktion in den Kläranlagen beitragen. Ohne dass wir das wissen, ist es ein bisschen schwer zu überlegen, wie wir die dann spezifisch daran verhindern können, um Lachgas zu machen. Also, es ist eine spannende Frage, vielleicht für Mikrobiologen, die mehr in dem angewandten Gebiet arbeiten. Wir als Grundlagenforscher bieten diese Einsicht in, wie diese Mikrobeenden funktionieren. Aber da ist nicht wirklich meine Spezialität.
Ist der Parvus, also der kleine Symbiont, der da das Lachgas ausstößt, ist ja eigentlich gut zu beobachten. Sie haben ja einen Artikel im ISME Communications veröffentlicht. Da ist von Blüten die Rede.
Genau, also von Blüten stellt man sich vielleicht so Küstenblüten von Algen vor oder ich weiß nicht, sowas ähnliches. Diese Organismen kann man tatsächlich nicht mit dem Auge sehen. Sie haben ja auch keine Pigmente, das heißt, sie färben auch das Wasser nicht. Was wir mit Blüten bezeichnen, ist, dass wir, wenn wir tatsächlich merken, dass die Zahl von den Symbionten in unseren Proben plötzlich rapide ansteigt. Und das ist ein Phänomen, das sehen wir in manchen Kläranlagen, die tatsächlich ein Monitoring über längere Zeit machen. Wir sehen, dass tatsächlich über Wochen die Symbiontenpopulation zum Beispiel niedrig bleibt und plötzlich um ein Mehrfaches ansteigt und dann wieder runterkommt. Und das ist ein Phänomen, das sehen wir auch im natürlichen Ökosystem, zum Beispiel an den Frischwasserseen, an denen wir arbeiten. Da haben wir tatsächlich auch Monate, wo die Anzahl von diesen Symbionten extrem ansteigt, sagen wir mal um ein Zehnfaches.
Das sagt Dr. Jana Meluka. Sie ist Forschungsgruppenleiterin Treibhausgas am Max Planck Institut für Marine Mikrobiologie und gesprochen hat mit ihr mein Kollege Wieland Mikulajczyk, der auch die Redaktion für diese Folge hatte. Vielen Dank dafür. Außerdem an dieser Stelle einen großen Dank an die Produktion der Folge. Die kam diese Woche von Jessi Hughes. Im Forschungsquartett geht es nächste Woche dann hier um wissenschaftliches Bohren, was das genau ist und über ganz konkrete Projekte sprechen wir dann also in der nächsten Folge. Wenn ihr mögt, dann gerne bis nächsten Donnerstag. Vielen Dank fürs Zuhören und tschüss.
Foto: A. Esken