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StartseiteForschung aktuellVerkannte Arbeitstiere09.02.2007

Verkannte Arbeitstiere

Archäen spielen wichtige Rolle im Stickstoffkreislauf

Mikrobiologie. – Stickstoff ist für Pflanzen unerlässlich, deshalb düngt der Gärtner auch mit Nitrat. Denn nur damit können die Gewächse etwas anfangen. In natürlichen Ökosystemen muss das reichlich vorkommende Distickstoffgas aber erst in die verwertbare Form überführt werden. Dabei spielen offenbar Archäen eine große Rolle.

Von David Globig

Wird durch Archäen im Untergrund gestützt: Stickstoffbinder Klee. (Deutschlandradio / Bettina Straub)
Wird durch Archäen im Untergrund gestützt: Stickstoffbinder Klee. (Deutschlandradio / Bettina Straub)

Archäen - oder auch Archaea - sind wahre Überlebenskünstler. Sie kommen zum Beispiel in kochendheißen Quellen vor oder in sehr salziger beziehungsweise saurer Umgebung. Lange Zeit haben Wissenschaftler deshalb geglaubt, dass sich diese Einzeller, die oft fälschlicherweise als Archae- oder Ur-Bakterien bezeichnet werden, nur unter Extrembedingungen wohlfühlen. Doch in den letzten Jahren hat man Archäen auch in ganz normalen Gewässern und sogar im Ackerboden gefunden. Den Forschern machen es diese Archäen allerdings nicht leicht: Nur die wenigsten überleben und vermehren sich unter Laborbedingungen. Um trotzdem mehr über die ungewöhnlichen Mikroorganismen herauszufinden, "fischen" Wissenschaftler mit molekularbiologischen Methoden im Erbgut der Archäen nach bestimmten Genen - Genen, deren Funktion sie kennen. Mit dieser Technik arbeitet auch Professor Christa Schleper von der Universität Bergen in Norwegen. Gemeinsam mit einer internationalen Forschergruppe ist die Mikrobiologin dabei auf eine Fähigkeit gestoßen, die man bislang nur einigen wenigen Bakterien zugetraut hat: Spezielle Archäen können die Stickstoffverbindung Ammonium zu Nitrit oxidieren. Dies ist ein entscheidender Schritt im Stickstoffkreislauf zwischen Boden und Pflanzen. Schleper:

"Wir haben ein Gen gefunden, das enthält die Erbinformation für das Protein, das sozusagen zentral ist für Ammonium-Oxidation. Und jetzt haben wir eben gemessen, wie häufig dieses Gen vorkommt, um eine Idee zu bekommen, wie groß wohl die Rolle ist, die diese Archaea in diesem Stoffwechselweg spielen könnten."

Dafür untersuchten die Wissenschaftler Bodenproben aus verschiedenen europäischen Klimazonen. Teilweise stammten die Proben von landwirtschaftlich genutzten Flächen, teilweise von unberührten Böden. Die Forscher haben nun gezielt die Gene in diesen Proben vermehrt, die bei Bakterien und Archäen jeweils für die Umwandlung von Ammonium in Nitrit verantwortlich sind. Zwar ähneln sich diese Gene, sie lassen sich aber trotzdem gut voneinander unterscheiden. Schleper:

"Und dann haben wir es verglichen und gesehen, dass die Archaea zwischen fünf- und 200fach häufiger sind, zum Beispiel in Oberflächenböden, als die so gut bekannten Bakterien, die diesen Vorgang machen."

Offenbar sind also nicht die Bakterien die Schlüsselorganismen für den wichtigen Schritt im Stickstoffkreislauf, sondern "Crenarchaeota" genannte Archäen. Das macht die Archäen natürlich für die Landwirtschaft interessant. Denn wenn man dafür sorgen könnte, dass im Ackerboden aus Ammonium mehr Nitrit gebildet wird, könnten andere Mikroorganismen in der Folge auch mehr Nitrit in Nitrat umwandeln; in die Stickstoffverbindung, die Pflanzen als Nährelement aufnehmen können. Wir müssen wohl dementsprechend umdenken. Das glaubt auch Dr. Michael Schloter vom Institut für Bodenökologie am GSF - Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit in Neuherberg bei München. Er hat einen Teil der Bodenuntersuchungen durchgeführt.

"Bisher hat man immer versucht, diese Bakterien zu stimulieren, um so eben ganz gezielt mehr Ammonium in Nitrit umwandeln zu können. Nun schaut es aber so aus, als ob es eben einen viel, viel besseren Weg geben könnte, indem man eben die Aktivität der Archäen stimulieren könnte."

Bauern müssten also weniger Nitrat in Form von Dünger zugeben. Das würde auch die Umwelt schützen - unter anderem vor Überdüngung. Schloter:

"Wir kennen alle die Nitratproblematik: Wenn das Nitrat nicht gleich von der Pflanze aufgenommen wird, dann gelangt es ins Grundwasser, kann zur Eutrophierung von allen möglichen Systemen beitragen. Und das wollen wir ja eigentlich im Sinne einer nachhaltigen Landwirtschaft nicht."

Außerdem ist zuviel Nitrat im Trinkwasser ungesund.
Noch kämpfen die Forscher allerdings damit, dass sie über "Crenarchaeota" sehr wenig wissen. Die Mikroorganismen lassen sich einfach nicht im Labor kultivieren. Und so ist auch noch völlig unklar, wie man sie anregen könnte, mehr Ammonium in Nitrit umzuwandeln. Michael Schloter geht deshalb davon aus, dass es noch einige Jahre dauern wird, bis man Archäen gezielt in der Landwirtschaft nutzen kann. Bislang konnten die Wissenschaftler nur feststellen, dass im Boden Organismen wirken, die sie gar nicht auf ihrer "Stickstoffrechnung" hatten.

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