Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3548
Tomaschewski, Cordula
Erhaltungsstoffwechsel und überlebensfähigkeit des Ammoniak oxidierenden Bakteriums Nitrosomonas europaea
132 S., 1998
“Die autotrophe Ammoniakoxidation ist ein Prozeß von großer ökologischer und
ökonomischer Relevanz. Bis in die molekulare Ebene hinein wurde dieser Prozeß
ausführlich am Beispiel eines einzelnen Bakterienisolates, Nitrosomonas europaea,
untersucht.
Man geht davon aus, daß Ammoniak oxidierende Bakterien vorwiegend in
oligotrophen Umgebungen, Böden und Meeren mit oft nur extrem niedrigen
Ammonium-Konzentrationen vorkommen. Deshalb sind Ammoniaklimitierung (Ammoniak
ist in Konzentrationen vorhanden, die vollständig metabolisiert werden können)
und Hunger (Überleben in Abwesenheit von Ammonium) bedeutende Umweltstressoren,
an die sich diese Bakterien adaptieren müssen. Obwohl sehr viel bekannt ist über
den allgemeinen Metabolismus Ammoniak oxidierender Bakterien, ist doch wenig über
ihre physiologischen Reaktionen auf limiterende Ammoniumkonzentrationen bekannt.”
(Stein & Arp 1998)
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Reaktionen bezüglich Wachstum und
Überlebensfähigkeit von schnell, langsam und nicht wachsenden Nitrosomonas
europaea-Zellen, die axenisch bei 25° C im Batch, Chemostat und Retentostat
kultiviert wurden. Der Retentostat wurde für Langzeit-Kultivierung von
Mikroorganismen bei sehr niedrigen Wachstumsraten eingesetzt, die auch in den
meisten natürlichen Habitaten vorherrschen und nicht im Chemostaten untersucht
werden können. Bei vollständiger Biomasserückhaltung und konstanter Substratzugabe
(80 mg/l Ammonium-N als Energiequelle) wurde eine mikrobielle Population von
Nitrosomonas europaea nahe “Nullwachstum” in axenischer Kultur untersucht.
Hierbei verläßt lediglich zellfreies Filtrat den Reaktor, während die Biomasse
bis auf eine stabile maximale Zelldichte von 2.7 x 1012 Zellen . l-1
(300 mg l-1 Trockensubstanz) nach etwa sieben Wochen anwuchs. In diesem Zustand
näherte sich die Wachstumsrate Null an, und die Substratzugaberate entspricht
dem spezifischen Substratbedarf für den Erhaltungsstoffwechsel
(0.025 mg N mg-1TS h-1). Der Bedarf für den Erhaltungsstoffwechsel war dreimal
höher, wenn er bei relativ schnell wachsenden Chemostat-Kulturen
(µ = 0.01 – 0.03 h-1) nach der Methode von Pirt (1965) bestimmt wurde. m ist nicht
konstant, sondern variiert mit der Wachstumsrate.
Während Hungerphasen mit vollständigem Substratmangel blieben Zellzahl und
Zellvolumen über mindestens 20 Tage konstant. Die Population war in diesem
Zeitraum vollständig reaktivierbar. Erst nach Hungerphasen von 30 Tagen begann
eine deutliche Differenzierung in Teilpopulationen, die aus Zellen
unterschiedlicher Reaktivierbarkeit bestanden.
Nitrosomonas europaea verdankt also seine Fähigkeit, ausgedehnte Hungerphasen
zu überleben, dem Vermögen, einerseits die Stoffwechselaktivität im Hungerzustand
stark zu drosseln und andererseits seiner raschen Reaktivierbarkeit nach erneuter
Substratzufuhr.
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