Stikstofkringloop

Een zee van stikstof

De eerder in een waterzuivering ontdekte anammox-bacterie blijkt ook in zee ammonium in stikstof gas om te zetten. Karel Knip

In de Zwarte Zee verloopt de bacteriële stikstofkringloop anders dan altijd is aangenomen. Ook een baai ten westen van Costa Rica onttrekt zich aan de vermeende orde. Zelfs dichtbij, in het Skagerrak en voor de kust van het Deense Arhus, steekt de mariene stikstofkringloop anders in elkaar dan werd gedacht. Na honderd jaar zijn de inzichten in de wijze waarop in zee levende bacteriën de stikstofkringloop in stand houden opeens drastisch veranderd.

Alleen voor de Zwarte Zee is het overtuigende bewijs geleverd dat de vreemde chemische reacties die er op zo'n 90 meter diep plaatsvinden door bacteriën worden veroorzaakt. Op de andere plaatsen zijn alleen deze zogeheten 'anammox'-reacties aangetoond. Het sensationele Zwarte Zee-onderzoek is deze week beschreven in Nature (10 april). Eerste auteur is Marcel Kuypers, tot voor kort werkzaam op het Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ) op Texel, en nu verbonden aan het Max Planck Instituut in Bremen.

Het onderzoek aan de anammox-reactie, een soort dwarsverbinding in de bekende stikstofkringloop, is een succesvolle Nederlandse onderzoekslijn die al loopt sinds 1985 en waarvoor, na een publicatie in 1999 in Nature, grote internationale belangstelling is. "We worden opeens voor alle congressen uitgenodigd", zegt prof.dr.ir. Mike Jetten, na tien jaar anammox-onderzoek.

Het begon ongeveer vijftien jaar geleden met een poging een meer economische en milieuvriendelijke verwerkingsmethode te vinden voor het industrieel afvalwater van Gist-Brocades in Delft. Brocades-onderzoeker Arnold Mulder onderzocht de stikstofhuishouding van de bacteriën die - in een bioreactor binnen het laboratorium - in het Brocades-afvalwater tot groei kwamen en ontdekte een eigenaardige reactie: de vorming van vrije stikstof (N2) uit een oxidatie van ammonium zonder dat er zuurstof voorhanden was. Een anaërobe ammonium oxidatie dus: 'anammox'. De verwijdering van stikstof uit afvalwater in de vorm van N2 is erg aantrekkelijk. Op het geoptimaliseerde proces is patent gevraagd en verkregen.

Het Kluyver Laboratorium van de TU Delft onderzocht de annamox-reactie verder. Aardig genoeg was het meer dan een eeuw geleden ook Delft waar nieuwe delen van de stikstofkringloop werden blootgelegd. De vermaarde microbioloog Beijerinck ontdekte rond 1900 dat ook allerlei vrij levende bacteriën N2 konden binden. Tot dan was de zogenoemde stikstof-fixatie alleen bekend van bacteriën die dat in symbiose deden met wortels van hogere planten. Rond 1900 waren de hoofdlijnen van de stikstofkringloop in kaart gebracht: er is de N2-fixatie, er is de omzetting van stikstofverbindingen uit planten- en dierenresten tot ammonium (ammonificatie), er is de vorming van nitriet en nitraat uit dat ammonium (nitrificatie) en een soort omgekeerd proces: de vorming van vrij stikstof (N2 uit nitraat en nitriet: denitrificatie).

Maar op theoretische grond is met enige regelmaat, onder meer door de Oostenrijkse chemicus Engelbert Broda (1977), aangevoerd dat er nog schakels ontbraken. Het Kluyver Laboratorium kwam op zo'n schakel terecht. In de anammox-reactie van Brocades bleek het ammonium te worden geoxideerd in een reactie met nitriet (dat de rol van zuurstof in de gewone ademhaling of 'verbranding' overneemt). Met andere woorden: twee verschillende stikstofverbindingen reageren onder zuurstofloze omstandigheden met elkaar tot vrij stikstof (N2). In de onderzoekpraktijk wordt het optreden van de anammox-reactie aangetoond door ammonium aan te bieden waarin de gewone stikstofisotoop (14N) is vervangen door de zwaardere isotoop 15N. Als in de proef vrij stikstof (N2) wordt opgevangen waarvan de moleculen 14N en 15N ruwweg in 50/50 verhouding bevatten dan is het bewijs rond.

Het Kluyver Laboratorium bevestigde dat er werkelijk levende organismen waren betrokken bij deze nieuwe, onbekende denitrificatie en vond met enige inspanning in de biofilms die zich op glaswerk en dergelijke afzetten vreemde bacteriën die een rol zouden kunnen spelen. Een bizar proces moest wel een bizarre veroorzaker hebben. Zo goed en zo kwaad als dat ging werden de bacteriën uit de losgetrilde biofilms opgehoopt en gezuiverd en daarna bleek deze voor 80 procent zuivere cultuur inderdaad in sterke mate een anammox-reactie te kunnen uitvoeren. En passant werd aangetoond dat de bacteriën CO2 kunnen benutten als koolstofbron. Autotrofie heet dat.

Daarna begon een spannende speurtocht naar meer gegevens over de nieuwe bacterie waarvoor de naam Brocadia anammoxidans is voorgesteld. Onder de elektronenmicroscoop werd zichtbaar dat de bacterie 'gecompartimenteerd' was: binnen de gewone membraan die de cel omgeeft werden compartimenten gevonden die ook weer door een membraan waren omgeven. Dit is voor bacteriën een grote zeldzaamheid, het komt alleen voor bij bacteriën uit de geïsoleerde orde Planctomycetales. Op 29 juli 1999 volgde de triomfantelijke publicatie in Nature, met Marc Strous als eerste auteur. Van lieverlee raakten ook het NIOZ op Texel en de universiteit van Nijmegen (en buitenlandse Planctomyceten-experts) bij het onderzoek betrokken. Inmiddels is beschreven welke tussenproducten bij de reactie van ammonium met nitriet worden gevormd (hydroxylamine en het zeer giftige hydrazine), welke enzymen erbij zijn betrokken en welke rol wordt gespeeld door de membraan-omgeven compartimentjes die anammoxosomen zijn genoemd. Ze bleken het centrum van de anammox-reactie.

VERRASSING

Was de vondst van het zeldzame, giftige hydrazine als tussenproduct al een succes, onderzoek naar de samenstelling van de membraan van de anammoxosomen leverde een nieuwe verrassing op: de membraan bestond uit lipiden (vetachtige substanties) die nooit eerder zijn waargenomen bij bacteriën of andere organismen. Ze zijn 'ladderanen', En. ladderanes genoemd. Membranen van ladderanen zijn ongewoon slecht doordringbaar, aangenomen wordt dat ze bij de anammox-bactetiën hydrazine 'moeten' binnen houden (Nature, 17 okt 2002).

Zó zeldzaam zijn de ladderanen dat ze als 'biomarker' zijn te gebruiken: waar ladderanen worden aangetroffen moeten wel anammox-bacteriën zijn. Met dit hulpmiddel zijn de bacteriën (er zijn al meerdere soorten gevonden) nu ook in sommige andere afvalwaterzuiverings-installaties aangetoond. Het voorlopig hoogtepunt wordt gevormd door het aantonen van ladderanen samen met de karakteristieke anammox-reactie (met behulp van 15N-gelabeld ammonium) in de Zwarte Zee tijdens een expeditie in december 2001. Op negentig meter diepte, waar vrijwel geen zuurstof is, vond men een ongewoon sterk ammonium-verbruik. Ruwe berekeningen maken aannemelijk dat de denitrificatie een aanzienlijke rol speelt in de stikstof-kringloop. Deens onderzoek bij Costa Rica, wat vrijblijvender van aard maar in dezelfde Nature afgedrukt, bevestigt dit beeld. Vermoedelijk wordt de stikstof-balans van de oceanen in de komende jaren bijgesteld.

www.anammox.com

De reactie is het frenetieke losscheuren van de zuurstof van het nitriet om daarmee de ammonium te oxideren en die wordt weergegeven in deze netto-reactie

NH4+ + NO2- ® N2 + 2H2O

Hierbij komt een portie chemische energie vrij die kan worden gebruikt om uit CO2 en H2O glucose te vormen; puur chemosynthese dus bij deze bacteriën.

Marieke Aarden

Stikstof ontsnapt

Prof. dr. ir. Mike Jetten, microbioloog aan de universiteiten van Nijmegen en Delft en één van de onderzoekers aan het nieuwe Darwin Centrum, zet deze week in het tijdschrift Nature de stikstofkringloop op zijn kop.

De stofstromen en hun relatie tot het klimaat zijn een belangrijk onderzoeksveld van het nieuwe centrum. Jetten heeft ontdekt dat de anammox-bacteriën die in zuurstofloze omstandigheden in de Zwarte Zee leven, stikstofgas maken dat ontsnapt naar de atmosfeer.

Datzelfde gebeurt ook in de oceanen en omdat die voor driekwart de mondiale stikstofstromen bepalen, is deze ontdekking een totale verrassing. In de huidige klimaatmodellen is het ontsnapte stikstofgas nooit toegeschreven aan de anammox-bacteriën. Het werd niet meegeteld, omdat men er simpel niet van wist.

Dit stikstofgas gaat verloren voor het ecosysteem. Algen, die een belangrijke voedselbron zijn voor dierlijke zeebewoners, kunnen dit gas vrijwel niet opnemen. Dat is een negatief gevolg, oordeelt Jetten.

Een ander, mogelijk positief effect van de bacterie is dat deze niet alleen stikstofverbindingen consumeert, maar ook kooldioxide. De grote vraag is nu of die positieve koolstofconsumptie door anammox de negatieve uitstoot van stikstofgas compenseert. Daar moet zwaar aan gerekend worden. 'Mooie klus voor het Darwin Centrum', zegt Jetten.

M.v.g. G. Nevenzel.

Overzicht van onderwerpen.