Den nye viden får stor betydning for forskning i klima, landbrug, drikkevand og spildevandsrensning. Nitrifikation spiller en nøglerolle for jordens kvælstofkredsløb. Den består af to trin, og i mere end 100 år har man troet, at de blev udført af vidt forskellige grupper af mikroorganismer. Nu viser det sig, at en enkelt bakterieart kan varetage hele nitrifikationen. Det fastslår forskere fra AAU, som i to uafhængige studier har gjort samme opdagelse med kollegaer fra hhv. Wien og Nijmegen.
Undren over uforklarlige processer
Ved hjælp af avancerede DNA-metoder kortlægger forskere fra Aalborg Universitet nye aspekter af bakteriers egenskaber. Den såkaldte nitrifikationsproces er en del af det globale kvælstofkredsløb og opdeles normalt i to bidder. Først omsætter en gruppe bakterier ammonium til nitrit, som herefter omdannes til nitrat af en anden gruppe bakterier. De nyopdagede bakterier kan udføre hele processen alene. Den forståelse ændrer grundlaget for, hvordan forskere tænker på omsætningen af kvælstof.
- Vi blev i foråret kontaktet af to forskergrupper i henholdsvis Holland og Østrig. De havde begge målt nogle uforklarlige processer i deres bioreaktorer. Tilsyneladende var der ikke nogen bakterier til stede, som kunne omdanne ammonium til nitrit. Alligevel blev der produceret masser af nitrat fra ammonium, fortæller professor Per Halkjær Nielsen, leder af Center for Microbial Communities ved Aalborg Universitet. - Der måtte derfor være en eller flere ukendte ammoniumomdannende bakterier til stede i de to reaktorer. Det gjorde os meget interesserede i, hvordan det kunne lade sig gøre, siger han.
Spændende DNA-opdagelser
Forskergruppen i Aalborg er specialister i at lave brede analyser af komplekse bakteriesamfund. Postdoc Mads Albertsen fortæller:
- Vi fik materiale fra de to bioreaktorer og tog et nærmere kig på bakteriernes DNA. Det lykkedes os at samle et helt genom (kromosom) fra en af bakterierne og at få næsten komplette genomer af flere andre bakterier. Og så kunne vi overraskende konstatere, at nogle af bakterierne tilhørte familien Nitrospira, som vides at udføre omdannelse af nitrit til nitrat, men som ikke før har været sat i forbindelse med omdannelse af ammonium. Men genomerne viste, at de havde alle nødvendige gener til at omdanne både ammonium og nitrit. Det var meget overraskende og vildt spændende, erindrer Mads Albertsen.
Siden mikrobiologer beskrev nitrifikationen for 125 år siden, har de undret sig over, at processen har været delt mellem to forskellige grupper af bakterier, de ammoniumoxiderende og de nitritoxiderende bakterier. En enkelt bakterie burde få mere energi ud af at udføre hele processen alene. Man kaldte disse gådefulde bakterier ”comammox” (complete ammonia oxidation) bakterier, selvom de ikke var identificerede.
Lærebøgerne skal skrives om
125 år senere stødte to forskellige forskergrupper på comammox-bakterier samtidig og kontaktede forskningsgruppen i Aalborg. Det ene fund stammer fra Nijmegen i Holland hos dr. Sebastian Lücker og professor Mike Jetten. De benytter deres bioreaktor til at studere spildevandsrensning i forbindelse med anammox-processen, hvor kvælstof fjernes fra spildevand. Den anden bioreaktor står hos dr. Holger Daims og professor Michael Wagner ved Wiens Universitet i Østrig. Den indeholder bakterier, som stammer fra en 1 km dyb russisk olieboring.
- De to meget forskellige lokaliteter fik os til at undersøge, hvor udbredte disse nye comammox-bakterier kunne være, siger professor Per Halkjær Nielsen. - Vi studerede derfor DNA-materiale fra såkaldte metagenomer fra en lang række prøver. Det er store dataset over alt arvemasse, som prøverne indeholder. Vi opdagede, at de nye nitrificerende arter er udbredte i de fleste økosystemer, vi har undersøgt, også i det lokale renseanlæg i Aalborg. De nye opdagelser vil derfor hjælpe mikrobiologer, agronomer og ingeniører verden over til at forstå kvælstofomsætningen i naturen, i landbruget og i forbindelse med rensning af drikkevand og spildevand, vurderer Per Halkjær Nielsen.
Postdoc Mads Albertsen og ph.d.-studerende Rasmus Kirkegaard er forståeligt begejstrede over at have medvirket til forskningsresultater, som resulterer i to artikler i samme nummer af Nature. Men det stopper ikke der:
- Denne opdagelse gør, at lærebøgerne skal skrives om. Alle lærebøger fra gymnasium til universitet beskriver, at nitrifikationen er en totrinsproces – og det behøver den altså ikke at være, konkluderer Mads Albertsen.
Publikationerne i NATURE
1. 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.
2. Complete nitrification by Nitrospira bacteria
Holger Daims, Elena V. Lebedeva, Petra Pjevac, Ping Han, Craig Herbold, Mads Albertsen, Nico Jehmlich, Marton Palatinszky, Julia Vierheilig, Alexandr Bulaev, Rasmus H. Kirkegaard, Martin von Bergen, Thomas Rattei, Bernd Bendinger, Per H. Nielsen, og Michael Wagner.
Download foto: Pink kolonier af nitrospira-celler i aktivt slam fra et renseanlæg. Hver koloni indeholder tusindvis af celler. Andre bakterier er grønne. Bakterierne er visualiseret med fluoriserende in situ hybridisering. Foto: Holger Daims.
Kontakt
- Professor Per Halkjær Nielsen, Institut for Kemi og Biovidenskab, phn@bio.aau.dk, tlf. 2173 5089.
- Postdoc Mads Albertsen, Institut for Kemi og Biovidenskab, ma@bio.aau.dk, tlf. 2293 2191.
- VIdenskabsjournalist Carsten Nielsen, AAU, cn@adm.aau.dk, tlf. 2340 6554.