Nitrifizierung

Als Nitrifikation bezeichnet man die bakterielle Oxidation von Ammoniak (NH₃) zu Nitrat (NO₃⁻). Sie besteht aus zwei gekoppelten Teilprozessen: Im ersten Teil wird Ammoniak zu Nitrit oxidiert, das im zweiten Teilprozess zu Nitrat oxidiert wird. Beide Teilprozesse liefern für die beteiligten Organismen ausreichend Energie für Wachstum und andere Lebensvorgänge. Im Stickstoffkreislauf von Ökosystemen spielt die Nitrifikation eine große Rolle, da sie das durch Destruenten aus abgestorbener Biomasse frei gesetzte Ammoniak wieder in Nitrat überführt. So entsteht für Pflanzen stickstoffhaltiger Mineralnährstoff. Sergei Winogradsky kam als erster zu der Erkenntnis, dass die Nitrifikation ein konzertierter Prozess ist, an dem unterschiedliche Bakteriengruppen teilnehmen. Er beschrieb in seinen (aus heutiger Sicht) klassischen Publikationen^[1][2] zur Nitrifikation nicht nur die Teilprozesse, auch nahezu alle bis heute bekannten Gattungen wurde erstmals beschrieben. Dabei verwendete Winogradsky das Präfix Nitroso- als gemeinsam verbindendes Element in der Gattungsbezeichnung für die am ersten Teilprozesses beteiligten Organismen. Die Gattungen des zweiten Teilprozesses erhielten das Präfix Nitro- im Gattungsnamen.

Erster Teilprozess

Der erste Teilprozess besteht aus der Oxidation von Ammoniak mit molekularem Sauerstoff zu Nitrit (Gleichung 1). Unter Standardbedingungen (siehe Energiestoffwechsel) je Mol umgesetztes Ammoniak frei werdende Energie entsprechend der Änderung der Freien Energie:  ΔG°' = −235 kJ/mol.

Gleichung 1:  NH₃ + 1½ O₂ → NO₂⁻ + H⁺ + H₂O

Die für den ersten Teilprozess verantwortlichen Bakterien werden als Ammoniak oxidierende Bakterien oder Nitritbakterien bezeichnet. Alle Vertreter sind aerob und obligat chemolithoautotroph. Folgende Gattungen, erkennbar am Wortteil Nitroso-, gehören dazu:

• Nitrosomonas
• Nitrosospira
• Nitrosovibrio
• Nitrosolobus
• Nitrosococcus

Die Oxidation von Ammoniak mittels molekularem Sauerstoff erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Schritt (Gleichung 2) wird das Ammoniak zu Hydroxylamin durch das Enzym Ammoniummonooxygenase (AMO) oxidiert. Bei dieser Reaktion wird ein Sauerstoffatom aus dem Sauerstoffmolekül ins Hydroxylamin eingebaut, das Andere zu Wasser reduziert. Im zweiten Schritt (Gleichung 3), katalysiert durch die Hydroxylamin-Oxidoreduktae (HAO), erfolgt die Oxidation von Hydroxylamin zu Nitrit. Von den 4 mol aus der Oxidation von Hydroxylamin gewonnenen Elektronen (Reaktion 2) werden 2 mol Elektronen für die AMO-Reaktion (Reaktion 1) verwendet, circa 1.7 mol Elektronen werden über Cytochrom C auf Sauerstoff übertragen (Gleichung 4), die restlichen 0.3 mol Elektronen fließen zur Gewinnung von NAD(P)H in den rückläufigen Elektronentransport

Gleichung 2:  2H⁺ + NH₃ + 2e^- + O₂ → NH₂OH + H₂O

Gleichung 3:  NH₂OH + H₂O → HONO + 4e^- + 4H⁺

Gleichung 4:  2H⁺ + 0.5 O₂ + 2e^- → H₂O

Zweiter Teilprozess

Der zweite Teilprozess besteht in der Oxidation von Nitrit mit molekularem Sauerstoff zu Nitrat, bei der unter Standardbedingungen je Mol umgesetztes Nitrit mit ΔG°' = −76 kJ/mol Energie frei wird.

Gleichung 5:  NO₂⁻ + ½ O₂ → NO₃⁻

Die für den zweiten Teilprozess verantwortlichen Bakterien werden als Nitrit oxidierende Bakterien oder Nitratbakterien bezeichnet. Alle Vertreter sind aerob und obligat chemolithoautotroph. Folgende Gattungen, erkennbar am Wortteil Nitro-, gehören dazu:

• Nitrobacter
• Nitrospira
• Nitrospina
• Nitrococcus

Beide Teilprozesse (Gleichung 1 und Gleichung 5) ergeben in der Summe:

Gleichung 6:  NH₃ + 2 O₂ → NO₃⁻ + H⁺ + H₂O

bei der insgesamt ΔG°' = −311 kJ/mol an Energie frei wird.

Physiologie der Nitrifizierer

Die nitrifizierenden Bakterien (Nitrifikanten) führen einen chemolithoautotrophen Stoffwechsel: Die anorganischen Stickstoff-Verbindungen dienen sowohl als Elektronendonator (Lithotrophie) als auch zusammen mit Sauerstoff O₂ als Energiequelle (Chemotrophie). Die bei der Oxidation frei werdende Energie wird zur Synthese von ATP aus ADP und Phosphat benötigt. ATP wird hauptsächlich zum Aufbau von Biomasse aus Kohlenstoffdioxid eingesetzt. Die nitrifizierenden Bakterien können ihren Kohlenstoffbedarf aus Kohlenstoffdioxid allein decken. Das bedeutet, sie sind autotroph und betreiben sogenannte Chemosynthese. Das Kohlenstoffdioxid wird über den Calvin-Zyklus assimiliert.

Ökologische und technische Bedeutung

Nitrifizierende Bakterien lassen sich aus vielen aeroben Ökosystemen isolieren. Die Substratverfügbarkeit von Ammonium oder Nitrit hängt im starken Masse von der Ammonifikation ab. Viele Ammoniumoxidierer können auch Harnstoff als Primärsubstrat ^[3]. In natürlichen Systemen konnte Ammoniumoxidation auch unter Bedingungen beobachtet werden, welche von untersuchten Reinkulturen nicht mehr toleriert wurden. So wurde die Ammoniumoxidation in sauren Böden auf^[4], in kalten Ökosystemen^[5], auf der Oberfläche von sauren Sandsteinen^[6] oder in 50-60C heißen Quellen^[7]. beobachtet. In eutrophierten Systemen kann die Nitrifikation zur einem signifikanten Verbrauch an Sauerstoff führen, wodurch die Denitrifikation begünstigt werden kann.

Die Nitrifikation ist mit einer Produktion von Säure (H⁺-Bildung) verbunden, der pH-Wert wird abgesenkt, wenn die gebildete Säure nicht neutralisiert wird, etwa durch Umsetzung mit Calciumcarbonat (CaCO₃). Die gebildete Säure belastet die Pufferkapazität des Wassers und kann das Wasser bzw. den Boden versäuern. Da Nitrifizierer nur im neutralen bis leicht alkalischen Bereich stoffwechseln, kann durch die Versäuerung die vollständige Umwandlung des fischtoxischen Ammoniums/Ammoniak in Abwasser-Kläranlagen verhindert werden (Autoinhibition). Die durch Nitrifikation gebildete Salpetersäure kann zerstörend auf mineralische Werkstoffe (Baumaterialien und andere) wirken, besonders auf Kalk-haltige, indem sie Carbonate auflöst. Bauwerke sind davon besonders in einer Umgebung betroffen, in der Ammoniak auftritt und Nitrifikation möglich ist, beispielsweise Abwasseranlagen und Tierställe. Auch bei Kontakt von Carbonat-haltigen Baumaterialien oder Bildwerken mit Stickoxiden und Wasser kommt es oft auf deren Oberfläche zu einer bakteriellen Oxidation der Stickoxide zu Salpetersäure (Nitrifikation) und in Folge dessen zur Auflösung der Carbonate und Schädigung des Bau- bzw. Bildwerks ^[8]. In den Sandsteinen von Kirchen oder anderen Gebäuden sind oftmals die äußeren Bereiche mit Nitrifizierern durchsetzt. Am Kölner Dom wurden Ammoniumoxidierer (fast ausschließlich Nitrosovibrio) in bis in 15 cm Tiefe im Sandstein nachgewiesen. Einhergehend mit dem Befall von Nitrifizierern war auch der pH-Wert im herabgesetzt, wodurch mit der Zeit der im Sandstein vorhandene Dolomit aufgelöst wird.

Bei der Nitrifikation fällt ein Sauerstoffverbrauch von 4,33 g O₂ je g NO₃-N an (Sauerstoff dient als Elektronenakzeptor). Es wächst Nitrifikatenbiomasse im Ausmaß von 0,24 g CSB je g NO₃-N zu (Zellertrag, engl. yield). 1,42 Gramm CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf) entsprechen einem Gramm biotischer Trockenmasse.

Literatur

• S. Winogradsky: Sur les organismes de la nitrification. In: Comptes rendus de séances l'Academie des Sciences. Bd. 110, 1890, S. 1013-1016.
• Georg Fuchs (Hrsg.): Allgemeine Mikrobiologie, begründet von Hans-Günter Schlegel, 8. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York 2007, ISBN 978-3-13-444608-1, S. 329 ff.

Einzelnachweise

1. ↑ S. Winogradsky: Recherches sur les organismes de la nitrification. In: Annales de l'Institut Pasteur Bd. 4, 1892, S. 213-231, 257-275 und 760-771.
2. ↑ S. Winogradsky: Contributions á la morphologie des organismes de la nitrification. In: Archives des sciences biologiques St. Petersburg Bd. 1, 1892, S. 88-137.
3. ↑ S. W. Watson, J. B. Waterbury: Characteristics of two marine nitrite oxidizing bacteria, Nitrospina gracilis nov. gen. nov. sp. and Nitrococcus mobils nov. gen. nov. sp. In: Archiv für Mikrobiologie. Bd. 77, 1971, S. 203-230.
4. ↑ N. Walker, K. N. Wickramasinghe: Nitrification and autotrophic nitrifying bacteria in acid tea soils. In: Soil Biology and Biochemistry. Bd. 11, 1978, S. 231-236.
5. ↑ R. D. Jones, R. Y. Morita: Low-temperature growth and whole-cell kinetics of a marine ammonium oxidizer. In: Marine Ecology-Progress Series. Bd. 21, 1985, S. 239-243.
6. ↑ E. Bock: Biologisch induzierte Korrosion von Natursteinen - starker Befall mit Nitrifikanten. In: Bautenschutz/Bautensanierung. Bd. 1, 1987, S. 24-27.
7. ↑ R. S. Golovacheva: Thermophilic nitrifying bacteria from hot springs. In: Microbiologiya. Bd. 45, 1976, S. 329-331.
8. ↑ Holger Brill (Hrsg.): Mikrobielle Materialzerstörung und Materialschutz - Schädigungsmechanismen und Schutzmaßnahmen. Gustav Fischer Verlag, Jena, Stuttgart 1995, ISBN 3-334-60940-5, S. 87 und 89-90.

Siehe auch

• Ammonifikation
• Denitrifikation
• Belebtschlammverfahren