Forschen für die nächste Stickstoffrevolution

In giftgrünen Gummihandschuhen hantiert Sarah Al-Ajeel an ihren Bakterienkulturen. Sie hegt und pflegt ihre "anspruchsvollen Freunde", wie die junge Mikrobiologin schmunzelnd erklärt: "Darf ich vorstellen: Comammox aus der Gruppe der nitrifizierenden Bakterien. Lieblingsspeise: Ammoniak".

Obgleich kleiner als ein Mikrometer, erfordern die Organismen die volle Aufmerksamkeit der Doktorandin: "Sie wachsen langsam, und wir müssen aufpassen, dass sie nicht mit anderen Bakterien kontaminiert werden". Klein und nicht gerade pflegeleicht also, aber mit Potenzial: Die ammoniakfressenden Mikroben könnten in Zukunft eine zentrale Schlüsselrolle im Kampf gegen die Stickstoffkrise spielen.

Kein Leben ohne Bakterien

Mikroorganismen: Um sie dreht sich alles am Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft (CeMESS) der Uni Wien, wo Sarah Al-Ajeel im internationalen Team der Mikrobiologen Holger Daims und Michael Wagner für ihren PhD forscht.

Genauer gesagt – eigentlich dreht sich die ganze Welt um diese winzigen Lebewesen, wir merken es nur meistens nicht (oder höchstens dann, wenn es sich beispielsweise um Streptokokken in unserem Hals handelt): Mikroben dirigieren alle großen Stoffkreisläufe des Planeten und spielen eine zentrale Rolle für nahezu jede Funktion im Ökosystem. 

Sie sind überall – mehrere zehntausend Bakterienarten leben zum Beispiel in nur einem Gramm Blumenerde, im menschlichen Darm sind es viele hunderte verschiedene Stämme. "Mikroorganismen waren die ersten Lebewesen auf dem Planeten, wir alle tragen ihr Erbe in jeder einzelnen Zelle unseres Körpers. Ohne sie könnten wir nicht existieren", bringt Holger Daims die Bedeutung der kleinen Organismen auf den Punkt. 

Sein langjähriger Forschungskollege Michael Wagner – ebenfalls Gruppenleiter hier am Zentrum und dessen Gründungsdirektor – nickt zustimmend: "Wenn man lernt, die Welt aus der mikrobiellen Perspektive zu betrachten, eröffnet sich so etwas wie ein Paralleluniversum", beschreibt er schmunzelnd jene Faszination, die er und Holger Daims seit Jahrzehnten miteinander teilen und fast ebenso lange gemeinsam "ausleben".

Eine Welt für sich: Von Mikroben und jenen, die sie erforschen

Ein bisschen wie der Eintritt in ein Paralleluniversum fühlt sich auch unser Besuch in der Division of Microbial Ecology, kurz DOME, im neuen University of Vienna Biology Building (UBB) in Wien St. Marx an, wo Al-Ajeel, Daims, Wagner und ihre Teamkolleg*innen – und viele Milliarden Mikroorganismen – einen wichtigen Teil ihres Alltags verbringen. Extrem entspannt und gleichzeitig super busy, ebenso familiär wie professionell, so könnte man die Arbeitsatmosphäre beschreiben. Hier wird von den verschiedenen Forschungsgruppen alles geteilt – von der Idee über den Labortisch bis hin zum teuersten Forschungsequipment, egal aus welchem Fördertopf es angeschafft wurde: "in mutualistischer Zusammenarbeit", wie die Forscher*innen es "auf gut Mikrobiologisch" ausdrücken.

Mitten im arbeitsamen Gewusel von Mensch und Mikroorganismus haben wir uns heute verabredet, um mit Daims, Wagner und ihrer Kollegin Petra Pjevac, ebenfalls Gruppenleiterin und seit 2015 Teil der "Microbiome Family" bei DOME, über Stickstoff zu sprechen. Warum wir ihn so dringend brauchen und gleichzeitig zu viel davon im Umlauf ist. Welche Rolle Mikroorganismen dabei spielen und was sich dabei verändert hat, seit der Mensch durch die industrielle Düngung so massiv in den natürlichen Stickstoffkreislauf eingreift. Und was sich verändern muss, um die Ernährung der Menschheit zu sichern, ohne langfristig die Gesundheit unseres Planeten zu gefährden – wir haben viele Fragen mitgebracht. Und sind genau am richtigen Ort gelandet, um Antworten darauf zu finden.

Vom Stickstoffmangel zum Stickstoffüberfluss

Jedes Lebewesen, auch der Mensch, benötigt Stickstoff, um zu wachsen. Zwar ist unsere Luft voll davon (78 Prozent der Atmosphäre besteht aus gasförmigem Stickstoff), in dieser Form können ihn die meisten Organismen aber nicht verwerten. Sie sind im Laufe der Evolution erfinderisch geworden, um an das rare Lebenselixier zu kommen. Mikroorganismen spielen dabei die Hauptrolle, denn sie wandeln den Stickstoff aus der Luft in die für Mensch, Tier und Pflanze zugänglichen Formen um. 

Indem es dem Menschen Anfang des 20. Jahrhunderts gelungen ist, Luftstickstoff verfügbar zu machen, hat er massiv in den Stickstoffkreislauf eingegriffen: Gemeinsam mit der Massentierhaltung bringen wir durch die Verwendung von Kunstdünger mittlerweile mehr reaktive Stickstoffverbindungen in die Welt als alle natürlichen Prozesse in den Meeren oder an Land.

Haber-Bosch: Die "erste" Stickstoff-Revolution

Möglich wurde diese Entwicklung durch ein chemisches Verfahren, das Stickstoff aus der Luft für die industrielle Düngung verfügbar macht. Das sogenannte "Haber-Bosch-Verfahren" hat unsere Landwirtschaft revolutioniert und ernährt mittlerweile mehr als 40 Prozent der Weltbevölkerung. Wir sind heute auf künstlichen Stickstoffdünger angewiesen.

Aber es gibt eine Schattenseite. Nicht nur kostet es extrem viel Energie, den Luftstickstoff in reaktiven Stickstoff umzuwandeln. Wir werfen ihn auch noch wie Perlen vor die Säue. "Düngen ist extrem ineffizient", erklärt Holger Daims: "Nicht einmal die Hälfte des Stickstoffs, den wir auf die Felder bringen, landet in den Pflanzen. Der Rest geht zurück in die Luft oder wird ausgewaschen und gelangt ins Grundwasser." 

Und hier startet nicht nur ein Teufelskreislauf mit vielschichtigen Folgen für die Gesundheit unseres Planeten – hier kommen auch die unsichtbaren Akteure aus der Welt der Mikroorganismen ins Spiel, denen unsere Interviewpartner*innen insbesondere ihre Aufmerksamkeit widmen: sogenannte "nitrifizierende" Bakterien und Archaeen.

Kleine, aber mächtige Akteure im Stickstoffkreislauf

Nitrifikanten gehören zu den wichtigsten Organismen im Stickstoffkreislauf. Verstehen wir, wie sie ihre Arbeit tun, verstehen wir auch den gesamten Prozess besser – und können dieses Wissen zum Beispiel zur Entwicklung effizienterer Düngemethoden nutzen. 
Nitrifizierende Mikroorganismen wandeln Ammoniakstickstoff in zwei Schritten zunächst in das giftige Nitrit und dann in das harmlosere Nitrat um. Bis vor kurzem dachte man, dass es dazu zwei verschiedene Gruppen von Mikroorganismen braucht, die jeweils einen dieser Schritte durchführen. 

"In unserer Forschung hatten wir uns die Nitrifikanten sozusagen gerecht aufgeteilt", schmunzelt Daims: "Michaels Team untersucht die Ammoniak-Oxidierer, sie machen aus Ammoniak Nitrit. Und 'meine' Bakterien sind die Nitrit-Oxidierer, sie verwandeln Nitrit in Nitrat. Bis wir dann 2015 die Comammox-Bakterien gemeinsam entdeckten, die beides können, und die wir seitdem gemeinsam beforschen." Diese vorher übersehenen Organismen kommen in großer Zahl und Vielfalt in vielen Ökosystemen vor und spielen auch in landwirtschaftlich genützten Böden eine wichtige Rolle. 

Das Endprodukt der Nitrifikation ist also Nitrat – unter anderem in dieser Form können Pflanzen den Stickstoff aufnehmen und für ihr Wachstum verwerten. Da Nitrat aber viel leichter aus dem Boden ausgewaschen wird, kommt gefährlich viel davon ins Grundwasser, in die Flüsse und zuletzt ins Meer, wo es zur massenhaften Vermehrung von Algen oder Cyanobakterien führt, der "Algenblüte".

Wieder sind es Mikroorganismen, die diese Algen abbauen und dabei zu viel Sauerstoff verbrauchen – es entstehen Todeszonen, in denen buchstäblich kein höheres Leben mehr möglich ist. 

Höchstleistung mit Nebenwirkungen

Das überschüssige Nitrat im Boden kurbelt zudem die Arbeit einer weiteren Bakteriengruppe an: "Die Denitrifikanten verwandeln einen Teil des Nitrats in gasförmige Stickstoffverbindungen und entfernen es somit aus dem Boden, bevor es von den Pflanzen genutzt werden kann", erklärt Wagner. 

Die Krux an der Sache: Dabei entsteht auch Lachgas (N₂O), das fast 300-mal klimaschädlicher ist als Kohlendioxid (CO₂). "Lachgas ist nach Kohlendioxid und Methan das drittwichtigste Treibhausgas – und der Ozonkiller Nummer 1 in diesem Jahrhundert", so Daims.
Indem wir unsere Böden überdüngen, treiben wir also die Mikroorganismen zu Höchstleistungen an – und was sich in einem natürlichen Stickstoffkreislauf die Waage hielt, ist zur ausgewachsenen Stickstoffkrise geworden.

"Bakterieller Reinigungsservice": Mikroorganismen in unseren Kläranlagen

Übrigens: Die gleichen mikrobiellen Prozesse, die in der Landwirtschaft Düngemittelverluste und die Überdüngung unserer Gewässer verursachen, schützen in der Kläranlage unsere Umwelt. "Was wir beim Düngen gerne vermeiden würden – die Umwandlung von Ammoniak in Nitrat und dann der Verlust des Stickstoffs in die Atmosphäre – ist bei der Abwasserreinigung das erklärte Ziel", erklärt Holger Daims, der seit vielen Jahren, mit Gummistiefeln bewaffnet, das diffizile Zusammenspiel der Mikroben bei der Abwasseraufbereitung erforscht: "Indem sie ihrer gewohnten Aufgabe im Stickstoffkreislauf nachkommen, sind unsere Nitrifikanten also Problemlöser und Problemverursacher zugleich."

Umso wichtiger ist es, im Detail zu verstehen, was auf mikrobieller Ebene in der Kläranlage passiert. "Dass der 'bakterielle Reinigungsservice' generell funktioniert, wissen wir – in Singapur wird beispielsweise durch Kläranlagen gereinigtes Abwasser sogar direkt als Trinkwasser verwendet. Aber wir wissen heute aus unserer Forschung auch, dass häufig komplett andere Gruppen von Mikroorganismen in den Anlagen die Hauptarbeit leisten, als man jahrzehntelang angenommen hat, und dass in vielen Bereichen die Reinigungsleistung, Stabilität und der ökologische Fußabdruck von Kläranlagen noch weiter verbessert werden kann", ergänzt Wagner.

Forschen für die "zweite" Stickstoff-Revolution

Da der Stickstoffverlust beim Düngen auch Kosten verursacht, werden in der Landwirtschaft teilweise industriell erzeugte Nitrifikationshemmer eingesetzt. Die chemischen Helfer beeinflussen aber nicht nur den Stickstoffkreislauf, sondern akkumulieren sich auch in Pflanze und Tier; Rückstände wurden jüngst sogar in Kuhmilch nachgewiesen. "Die Risiken für uns Menschen sind ungeklärt", berichtet Petra Pjevac und gesellt sich zu unserem Interview im Seminarraum des Zentrums. 

Im aktuellen Forschungsprojekt "playNICE" haben es sich die junge Mikrobiologin und ihre Kolleg*innen zum Ziel gesetzt, die "leaky pipeline" im Düngeprozess zu flicken – und bauen dabei auf den bisherigen Erkenntnissen zum Prozess der Nitrifikation auf. Sie wollen im Rahmen ihrer Forschung nachhaltigere Düngeverfahren entwickeln.

Dabei setzt das Jungforscher*innen-Team auf das pflanzeneigene Potenzial und sucht nach Nitrifikationshemmern, die von den Pflanzen selbst erzeugt werden. Im Frühjahr und Herbst sind die Wissenschafter*innen – bewaffnet mit Spaten und Bohrstock – auf den Forschungsfeldern der Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit (AGES) anzutreffen, wo sie wertvolle Bodenproben sammeln. "Die AGES dokumentiert schon seit über 30 Jahren, was auf ihren Feldern gesät wird, und misst die dazugehörigen Bodenparameter. Das sind wichtige Informationen, wenn wir später im Labor mit den gesammelten Mikroorganismen experimentieren", erzählt Pjevac. 

Es sind die grundlegenden Fragen, die neue Anwendungen bringen

Dort heißt es dann nämlich: Trial and Error. Die Bodenproben werden verschiedenen Stoffen ausgesetzt, um auf diese Weise jene zu identifizieren, die die Nitrifikation hemmen. Eine heiße Spur führt die Forscher*innen zu alten Pflanzenarten, die aus den Zeiten vor der künstlichen Düngung stammen: Diese Varietäten scheinen wahre Umwandlungshemmer zu sein – die zugrundeliegenden Stoffe, die durch die Züchtung in unseren heutigen Sorten verloren gegangen sind, gilt es nun zu charakterisieren.

Petra Pjevac, Holger Daims, Michael Wagner und ihre Teams betreiben Grundlagenforschung, was sie antreibt, ist zuallererst das Verstehen. "Doch genau die grundlegenden Fragen sind oft die Basis für neue Lösungen", gibt sich Pjevac optimistisch und nennt das Verbot von FCKWs und das schrumpfende Ozonloch als Beispiel dafür, dass Ergebnisse aus der Forschung zweifellos das Potenzial für globale Veränderungen bergen. 

Ähnlich einschneidende und wirksame Veränderungen sind nun in Bezug auf die Stickstoffkrise notwendig – und dazu wollen die Forscher*innen der Uni Wien mit neuem Wissen aus der Welt der Mikroorganismen beitragen.