Anaerobe Ammoniakoxidation von Nitrosomonas eutropha

Doktorarbeit / Dissertation aus dem Jahr 1997 im Fachbereich Chemie - Biochemie, Note: 1,0, Universität Hamburg (Unbekannt), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Zusammenfassung: Obligat chemolithoautotrophe Ammoniakoxidanten oxidieren Ammoniak mit Sauerstoff als Oxidationsmittel zu Nitrit, um ihren Bedarf an Energie zu decken. Sie sind in verschiedenen Ökosystemen weit verbreitet, in denen unter oxischen Bedingungen organische Verbindungen mineralisiert und anorganische Stickstoffverbindungen wie Ammonium freigesetzt werden. So konnten Ammoniakoxidanten in oxischen Bereichen von Böden, Gewässern und Abwassersystemen sowie auf Gesteinsoberflächen nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurden diese Organismen allerdings auch in anoxischen Bereichen von Böden und Gewässern gefunden. Da kein anaerober Stoffwechsel der Ammoniakoxidanten bekannt war, wurde vermutet, daß die Organismen passiv in diese Bereiche eingetragen worden waren und dort stoffwechselinaktiv vorlagen. Es war unbekannt, warum unter diesen Bedingungen oftmals eine deutliche Zunahme der Zellzahl nachzuweisen war. In der Folgezeit konnte gezeigt werden, daß Ammoniakoxidanten der Gattung Nitrosomonas (Nitrosomonas eutropha und Nitrosomonas europaea) in der Lage sind, unter anoxischen Bedingungen Acetat, Pyruvat und Wasserstoff als Elektronendonatoren und Nitrit als Elektronenakzeptor zu verwenden. Als Produkt wird neben geringen Mengen von Stickstoffmonoxid (NO) und Distickstoffoxid (N2O) in erster Linie molekularer Stickstoff (N2) freigesetzt. Auf der Basis dieses Stoffwechsels konnte ein Zellwachstum nachgewiesen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals ein neuer Stoffwechseltyp - die anaerobe Ammoniakoxidation - bei chemolithoautotrophen Ammoniakoxidanten nachgewiesen. Weiterhin wurde eine Methode für die Untersuchung des Ammoniak oxidierenden Systems in zellfreien Extrakten entwickelt. Unter anoxischen Bedingungen oxidierten Zellen von Nitrosomonas eutropha, Nitrosomonas europaea und Nitrosolobus multiformis Ammoniak mit Stickstoffdioxid bzw. Distickstofftetroxid (NO2/N2O4) als Oxidationsmittel über das Zwischenprodukt Hydroxylamin zu Nitrit. Als weiteres Stoffwechselprodukt konnte Stickstoffmonoxid (NO) nachgewiesen werden. Bis zu 50 % des entstandenen Nitrits wurden von den Organismen zu molekularem Stickstoff denitrifiziert. Außerdem wurden als Zwischenprodukt der Denitrifikation geringe Mengen Distickstoffoxid (N2O) nachgewiesen. Bei Nitrosomonas eutropha war die anaerobe Ammoniakoxidation mit einer ATP- und NADH-Produktion sowie einem Zellwachstum verbunden. Die höchsten spezifischen anaeroben Ammoniakoxidationsaktivitäten wurden bei Nitrosomonas eutropha mit 129,4 µmol - g Protein-1 - h-1 in einer Helium-Atmosphäre mit 25 ppm NO2 ermittelt. Die Ammoniakoxidationsrate lag damit ca. um den Faktor 10 niedriger als unter oxischen Bedingungen. Die Zugabe von Stickstoffmonoxid wirkte sich stark hemmend auf die anaerobe Ammoniakoxidationsaktivität aus. Diese inhibitorische Wirkung konnte durch die Zugabe von 2,3-Dimercapto-1-Propansulfonat (DMPS) einer NO komplexierenden Verbindung deutlich vermindert werden. Im Gegensatz dazu führte NO unter oxischen Bedingungen nur zu einer geringen Hemmung der Ammoniakoxidationsaktivität. Allerdings wurde in Gegenwart von Sauerstoff die Ammoniakoxidation durch DMPS zeitweise vollständig gehemmt. Durch die Zugabe von NO oder NO2 konnte die Zeitdauer dieser Inhibition erheblich verkürzt werden. Auf die aerobe und anaerobe Ammoniakoxidation von Nitrosomonas eutropha hatte NO2 weiterhin folgende Effekte: In einer NO2-haltigen oxischen Atmosphäre angezogene Zellen wiesen in den ersten 30 Stunden eine signifikant höhere anaerobe Ammoniakoxidationsaktivität auf als Zellen, die in einer NO2-freien Atmosphäre angezogen worden waren. Ein fünfmaliger Wechsel zwischen anoxischen und oxischen Bedingungen innerhalb von fünf Tagen führte zu einer starken Abnahme d...