Produktion und Verbrauch von Distickstoffmonoxid durch Nitrat-ammonifizierende Mikroorganismen

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Simon
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324263958

Distickstoffmonoxid (N2O; Lachgas) ist ein wirkungsvolles atmosphärisches Treibhausgas und trägt zur Verminderung der Ozonkonzentration in der Stratosphäre bei. Die Auswirkungen von N2O für den Klimawandel machen dessen Verringerung zu einer internationalen Herausforderung, insbesondere angesichts steigender Weltbevölkerung. Anthropogene N2O-Emissionen werden hauptsächlich durch Mikroorganismen in landwirtschaftlich genutzten Böden verursacht und durch die Verwendung von stickstoffhaltigen Düngemitteln gesteigert. Viele verschiedene mikrobielle Stoffwechselwege tragen zur N2O-Bildung in verschiedenen Habitaten bei, und es wurden zahlreiche N2O-generierende Enzyme beschrieben. Andererseits gibt es lediglich ein bekanntes Enzym (N2O-Reduktase, NosZ), das N2O zu reduzieren vermag, wobei Distickstoff (N2) als Produkt entsteht.Die mikrobielle Bildung von N2O aus Nitrat unter anoxischen Bedingungen ist das Produkt von Denitrifikation oder dissimilatorischer Nitrat-Reduktion zu Ammonium (DNRA). Denitrifizierer reduzieren Nitrat zu N2 über die Intermediate Nitrit, Stickstoffmonoid (NO) und N2O, wobei der finale Schritt der N2O-Reduktion auch fehlen kann. Im DNRA-Prozess wird N2O offenbar als Nebenprodukt der Detoxifizierung von Nitrit und NO gebildet. Einige DNRA-Organismen enthalten auch eine N2O-Reduktase, deren Rolle aber nicht geklärt ist.In diesem Projekt soll die Enzymologie der Produktion und des Verbrauchs von N2O durch zwei DNRA-Modellorganismen, Wolinella succinogenes und Bacillus vireti, charakterisiert werden. Beide Organismen besitzen funktionelle nos-Gencluster und sind in der Lage, die N2O-Reduktion an das Zellwachstum zu koppeln. Für W. succinogenes stellt dieser Vorgang einen Typ der anaeroben Atmung mit N2O als alleinigem Elektronenakzeptor dar. Beide Organismen sind genetisch veränderbar, und Methoden zur Konstruktion von Mutanten wurden im Labor des Antragstellers erfolgreich etabliert.Durch die Verwendung verschiedener Mutanten soll die Beteiligung einzelner assimilatorischer bzw. dissimilatorischer Enzyme an der N2O-Produktion in W. succinogenes und B. vireti analysiert werden. Außerdem wird der N2O-Verbrauch der Zellen untersucht. Da N2O im Zuge der Detoxifizierung von NO gebildet wird, wird auch die Rolle vermeintlicher NO-reduzierender Enzyme in der Abwehr von nitrosativem Stress untersucht. Experimentell verbindet das Projekt gentechnische Arbeiten mit solchen der mikrobiellen Physiologie und Biochemie und verwendet modernste Bestimmungsmethoden für gasförmige Produkte in bakteriellen Kulturen.Das Projekt wird die Kenntnisse über DNRA-Organismen in Bezug auf die Freisetzung und den Verbrauch von atmosphärischem N2O erweitern. Es wird erwartet, dass die Ergebnisse für zukünftige Strategien zur Verminderung von Treibhausgasen von Bedeutung sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen