En av bioreaktorerna som Kartal och hans kollegor använde för att odla celler av K. stuttgartiensis i labbet. Den ljusröda färgen beror på närvaron av järninnehållande cytokrom c-proteiner i cellerna. Anammox-bakterier är packade med proteiner av cytokrom c-typ, inklusive enzymerna som utför nyckelreaktionerna i anammoxprocessen, gör cellerna anmärkningsvärt röda. Kredit:Boran Kartal
Kväveoxid är en fascinerande och mångsidig molekyl, viktigt för allt levande såväl som vår miljö. Det är mycket reaktivt och giftigt; den används som en signalmolekyl; det bryter ner ozonskiktet i vår planets atmosfär; och det är föregångaren till växthusgasen dikväveoxid (N 2 O). Kväveoxider är också föroreningar som släpps ut med avgaser, till exempel från förbränningsmotorer i bilar, och är skadliga för människors hälsa.
Intressant nog, långt innan det fanns syre på jorden, kväveoxid var tillgänglig som en högenergi-oxidant, och kan ha spelat en grundläggande roll för framväxten och utvecklingen av liv på jorden. En studie av Max-Planck-forskaren Boran Kartal och kollegor som nu publiceras i Naturkommunikation kastar ett nytt ljus över mikrobiella transformationer av denna molekyl.
Ja det kan de – med konsekvenser för vårt klimat
En stor fråga om kväveoxid förblev obesvarad hittills:Kan organismer använda den för att växa?
Man skulle tro det, "Kartal förklarar, "som kväveoxid har funnits sedan livets uppkomst på jorden." Dock, ingen mikrob som växer på NO har hittats – förrän nu. Kartal och hans kollegor från Radboud University i Nederländerna har nu upptäckt att de anaeroba ammoniumoxiderande (anammox) bakterierna direkt använder NO för att växa. I detalj, dessa mikroorganismer kopplar ammoniumoxidation till NO-reduktion, producerar inget annat än dikvävegas (N 2 ) i processen.
Den senare - den enda produktionen av N 2 -är särskilt spännande:Vissa mikrober omvandlar NO till dikväveoxid (N 2 O), som är en potent växthusgas. N 2 , i kontrast, är ofarligt. Således, varje molekyl av NO som omvandlas till N 2 istället för N 2 O är en molekyl mindre som bidrar till klimatförändringen. "På det här sättet, anammox-bakterier minskar mängden NO tillgängligt för N 2 O produktion, och minska mängden frigjorda växthusgaser", Kartal förklarar. "Vårt arbete är intressant för att förstå hur anammox-bakterier kan reglera N 2 O- och NO-utsläpp från naturliga och konstgjorda ekosystem, såsom avloppsreningsverk, där dessa mikroorganismer bidrar väsentligt till N 2 -släpp till atmosfären."
Kuenenia stuttgartiensis , här sett under ett transmissionselektronmikroskop, är en modell av anammox -mikroorganismer, som växer som enstaka celler. Det är en sötvattensart som också finns i avloppsreningsverk. Kredit:Laura van Niftrik
Att tänka om kvävets kretslopp
Kväveoxid är en central molekyl i det globala kretsloppet av kväve. "Dessa fynd förändrar vår förståelse av jordens kvävekretslopp. Kväveoxid har i första hand ansetts vara ett toxin, men nu visar vi att anammox-bakterier kan leva på att omvandla NO till N 2 ", säger Kartal.
Den aktuella studien väcker nya frågor. "Anammox, en globalt viktig mikrobiell process i kvävets kretslopp som är relevant för jordens klimat, fungerar inte som vi trodde att det gjorde." Dessutom, andra mikrober än de som undersöks här kan också använda NO direkt. Anammox-bakterier finns över hela planeten. "I det här sammanhanget, anammox-mikroberna som växer på kväveoxid kan också finnas i princip överallt", Kartal fortsätter.
Ett svar, många nya frågor
Nu, Kartal och hans grupp vid Max Planck Institute i Bremen utforskar olika ekosystem från hela världen, jakt på specialiserade kväveoxidomvandlande mikroorganismer. De vill förstå bättre hur mikrober använder NO i miljöer både med och utan syre. Detta kommer troligen att bana väg för upptäckten av nya enzymer involverade i kväveoxidomvandling. "I grund och botten, vi vill förstå hur organismer kan leva på NO."
Vad är anammox?
Anammox, kort för anaerob ammoniumoxidation, är en globalt viktig mikrobiell process i kvävets kretslopp. Det utspelar sig i många naturliga och konstgjorda miljöer. I processen, nitrit- och ammoniumjoner omvandlas direkt till dinitrogen och vatten och nitrat.
Anammox är ansvarig för cirka 50% av N 2 gas som produceras i haven. Det tar alltså bort stora mängder biotillgängligt kväve från haven. Detta näringskväve är då inte längre tillgängligt för andra organismer; På detta sätt kan anammox kontrollera oceanisk primärproduktivitet.
Anammox-processen är också av intresse vid rening av avloppsvatten. Att ta bort kväveföreningar med hjälp av anammoxbakterier är betydligt billigare än traditionella metoder och minskar utsläppen av växthusgasen CO 2 .
