Verrassing: één bacterie zorgt voor nitrificatie in plaats van twee

26 november 2015

Microbiologen dachten altijd dat het er twee waren, maar nu blijkt één organisme in staat tot nitrificatie: de stapsgewijze omzetting van ammonium naar nitraat via nitriet. Deze Nitrospira bacterie werd na een lange zoektocht gevonden door microbiologen van de Radboud Universiteit, in hun eigen kelder nota bene. Nature publiceert de studie – met implicaties voor tekstboeken, klimaatonderzoek en waterzuivering – op 26 november.

Bioreactor met Nitrospira verrijkingscultuurBioreactor met Nitrospira verrijkingscultuur

‘Een tijd geleden merkte ik dat er iets raars aan de hand was in mijn reactor’, vertelt Maartje van Kessel, postdoc aan de Radboud Universiteit. ‘De stikstofconsumptie kwam niet overeen met de aanwezige micro-organismen in de cultuur. We zagen wel de enzymen die verantwoordelijk zijn voor de omzetting van ammonium naar nitriet, maar niet de micro-organismen.’

Collega Sebastian Lücker voegt toe: ‘Op een gegeven moment konden we alle enzymen in de reactor linken aan één bacterie. Verrassend genoeg was dat een lid van de Nitrospira familie, die bekend staat om haar vermogen nitriet om te zetten in nitraat. Wij linken Nitrospira nu voor het eerst ook aan de eerste stap van het nitrificatieproces: de omzetting van ammonium in nitriet.’ De nieuwgevonden eigenschappen van Nitrospira helpen microbiologen en ingenieurs wereldwijd bij het interpreteren van data uit hun reactoren, ook in afvalwaterzuiveringsinstallaties op grote schaal.

Verrassing in de kelder

Wat blijkt: de microbiologen zaten al die tijd bovenop het missende puzzelstukje – letterlijk. Ze ontdekten de nieuwe eigenschappen van Nitrospira in een bacteriecultuur die was opgezet vanuit een biofilter uit een aquarium van de afdeling Dierfysiologie, die precies twee verdiepingen onder de afdeling Microbiologie van de Radboud Universiteit ligt.

Van slechterik naar held

Een bacteriecultuur van anammox (roze) en Nitrospira (groen/blauw)Een bacteriecultuur van anammox (roze) en Nitrospira (groen/blauw)

De beroemde bacterie anammox zet ammonium en nitriet om in stikstofgas zonder daarbij zuurstof te gebruiken. Nitrospira werd altijd als vijand van anammox gezien, omdat ze het aanwezige nitriet weg zou vangen uit diens omgeving. Maar juist het omgekeerde blijkt het geval: Nitrospira helpt anammox door deze van extra nitriet te voorzien. Een mooi voorbeeld van hoe een slechterik uiteindelijk toch een good guy blijkt te zijn.

Gevolgen van de ontdekking

‘Door deze ontdekking zullen de tekstboeken moeten worden aangepast’, vertelt Lücker. ‘Maar het heeft ook impact op klimaatonderzoek.’ Stikstofverbindingen hebben direct en indirect invloed op onze omgeving en het klimaat. Ze zijn een belangrijke meststof voor planten, maar een teveel ervan is ook weer niet goed, dat leidt tot eutrofiëring: een overmaat aan voedingsstoffen in een ecosysteem. ‘We begrijpen de hoeveelheid en verdeling van ammonium-omzettende bacteriën op aarde nu beter, net als het proces van nitrificatie. Klimaatonderzoekers zullen hun inschattingen over de nitrificatie-potentie in de wereldwijde stikstofcyclus moeten aanpassen. Deze Nitrospira is namelijk – hoogstwaarschijnlijk – op veel meer plekken te vinden dan in onze kelder.’

Waterzuivering

Omdat nitrificatie het proces is waarmee ammonium uit water wordt gehaald, zijn de resultaten ook interessant voor de waterzuivering. ‘We hebben al vragen gekregen van onze contacten in de waterzuiveringindustrie, met de vraag of we hun watersamples willen onderzoeken op de aanwezigheid van deze Nitrospira’, aldus Van Kessel.

Tijdens dit onderzoek kwamen de microbiologen van de Radboud Universiteit erachter dat collega’s uit Wenen (Oostenrijk) - waar Sebastian Lücker zijn PhD-onderzoek voltooide – soortgelijke bevindingen hadden. Momenteel is Lücker een van de Radboud Excellence Initiative fellows aan de Radboud Universiteit. ‘Er is veel expertise over Nitrospira in Wenen’, vertelt hij, ‘en daarom wilden we graag met de collega’s daar samenwerken. We publiceren onze resultaten nu tegelijkertijd, in twee afzonderlijke papers in dezelfde editie van Nature.’

Dit onderzoek werd gefinancierd onder meer door een Veni toekenning aan Sebastian Lücker en Boran Kartal.

Publicatie
Complete nitrification by a single microorganism
Maartje A.H.J. van Kessel, Daan R. Speth, Mads Albertsen, Per H. Nielsen, Huub J.M. Op den Camp, Boran Kartal, Mike S.M. Jetten, Sebastian Lücker
Nature, DOI: 10.1038/nature16459


 

Bron: Radboud Universiteit Nijmegen

Kenmerken

Wetenschapsterrein

Aard- en Levenswetenschappen

Programma

Vernieuwingsimpuls

Speerpunt

Talent