Bodenbakterien bauen Schadstoffe erstaunlich flexibel ab

Bodenbakterium frisst Umweltgifte – und passt sich sogar dem Klima an

Viele aromatische Verbindungen aus Industrieprozessen belasten Böden und Gewässer. Solche Schadstoffe können Bodenbakterien nach und nach abbauen.

Giftige Chemikalien aus Industrie und Produktion bauen sich in der Umwelt oft nur langsam ab. Manche bleiben lange in Böden, Gewässern und Sedimenten. Dort belasten sie Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen. Umso wichtiger ist, was im Untergrund bereits von selbst passiert. Denn Bodenbakterien können solche Schadstoffe abbauen.

Besonders interessant wird es, wenn ein Bakterium selbst dann weiterarbeitet, wenn ihm wichtige Werkzeuge fehlen. So verhält sich Rhodococcus opacus 1CP, den Forscher der Ruhr-Universität Bochum untersucht haben. Der Stamm kann aromatische Schadstoffe auf mehreren Wegen zerlegen. Er bleibt dabei flexibel, auch wenn einzelne Enzyme ausfallen. Das ist für die Umweltbiotechnologie spannend. Es ist aber auch mit Blick auf den Klimawandel wichtig, weil sich Böden ständig verändern. Veröffentlicht wurde die Arbeit kürzlich in Applied and Environmental Microbiology.

Wie Bodenbakterien Schadstoffe flexibel abbauen

Der Bochumer Stamm verlässt sich nicht auf einen einzigen Mechanismus. In seinem Erbgut liegen mehrere Enzyme bereit, die ähnliche Aufgaben übernehmen können. Greift eines nicht mehr, springt oft ein anderes ein. So bleibt der Abbau auch dann möglich, wenn sich die Bedingungen ändern. Im Boden passiert das laufend. Sauerstoff, Temperatur und Nährstoffe schwanken.

Das Genom des Bakteriums ist mit 8.637.535 Basenpaaren ungewöhnlich groß. Es besteht aus einem Chromosom und zwei linearen Plasmiden. Im Erbgut fanden sich 107 Gene oder Gencluster, die mit dem Abbau aromatischer Verbindungen zusammenhängen. Dazu gehören sieben Phenol-Hydroxylasen, vier Catechol-1,2-Dioxygenasen, zwei Catechol-2,3-Dioxygenasen und sieben Maleylacetat-Reduktasen. Diese Redundanz ist ein Vorteil. Sie macht den Stamm anpassungsfähig.

Großes Genom hält mehrere Wege offen

Aromatische Verbindungen wie Phenole, Cresole und Styrole gelten als problematisch, weil sie Organismen schädigen und sich durch industrielle Prozesse anreichern können. Rhodococcus opacus 1CP kann solche Stoffe in mehreren Schritten verwerten. Dabei entstehen Zwischenprodukte wie Catechol, Protocatechuat und Phenylessigsäure. Am Ende fließen sie in den normalen Stoffwechsel ein. Das Bakterium gewinnt daraus Energie und baut die belastenden Stoffe gleichzeitig ab.

„Im Zuge der Verstoffwechselung hat das Bakterium Energie gewonnen und für uns die Umwelt gereinigt: ein zentrales Leitbild der Umweltbiotechnologie“, erklärt Dirk Tischler. Wichtig ist vor allem, dass hier nicht ein einzelnes Spezialenzym die Arbeit übernimmt. Das Bakterium hält mehrere Wege bereit. So bleibt es auch bei Störungen und wechselnden Umweltbedingungen handlungsfähig.

Drei Abbauwege sichern den Stoffwechsel ab

Die Forscher beschreiben drei Wege, mit denen der Stamm aromatische Verbindungen knackt. Er nutzt die Ortho-Spaltung, die Meta-Spaltung und einen Angriff auf die Seitenkette. Technisch klingt das sperrig. Für den Alltag der Umweltforschung ist es aber entscheidend. Denn viele Industriechemikalien aus dieser Stoffgruppe verhalten sich unterschiedlich. Ein Bakterium mit mehreren Abbauwegen kommt mit solchen Unterschieden besser zurecht.

Der Stamm kann unter anderem Phenol, Benzoat, Acetophenon, 2-Phenylethanol und Styrol abbauen. Auch für 2-Chlorphenol besitzt er einen veränderten Abbauweg. Beim Styrol-Abbau fiel zudem auf, dass ein spezielles Gencluster anspringt und zwei Enzyme für einen Zwischenschritt mitarbeiten. Eines davon arbeitet effizienter. Beide scheinen aber beteiligt zu sein. Auch das passt zum Grundmuster dieses Bakteriums. Es setzt nicht alles auf eine Karte.

Fällt ein Enzym aus, springt oft ein anderes ein

Besonders anschaulich werden die Daten bei den Wachstumsversuchen. Auf Phenol lag die Verdopplungszeit des Wildtyps bei 225 Minuten. Auf p-Cresol brauchte er 405 Minuten. Dann schaltete das Team drei zentrale Phenol-Hydroxylasen gezielt aus. Auf Phenol war damit Schluss. Der Dreifach-Mutant wuchs nicht mehr. Auf p-Cresol arbeitete der Stoffwechsel trotzdem weiter. Dort erreichte der Mutant noch 53 Prozent der Wachstumsrate des Wildtyps.

Darin liegt die eigentliche Stärke des Stamms. Beim blockierten Direktweg nutzt er eine Ausweichroute. „Wir konnten zeigen, dass, wenn man bestimmte Enzyme ausschaltet, andere einspringen und so sogar neue Stoffwechselwege genutzt werden“, so Tischler. Bei Phenol und Cresol waren häufig zwei oder drei Enzyme derselben Klasse an den ersten Schritten beteiligt. Fielen diese aus, wurden weitere Enzyme rekrutiert. So blieb der Abbau möglich.

So reagieren Bodenbakterien flexibel auf Klimastress

Für Böden bedeutet Klimawandel nicht nur mehr Hitze. Auch Trockenheit, wechselnde Feuchtigkeit und andere Sauerstoffverhältnisse verändern, wie Mikroorganismen arbeiten. Ein Bakterium, das unter solchen Bedingungen mehrere Stoffwechselwege bereithält, ist deshalb besonders interessant. Die verschiedenen Enzyme derselben Klasse werden je nach Umweltlage unterschiedlich stark gebildet. Das verschafft dem Stamm Spielraum. Für die Praxis ist das der spannende Punkt:

Die Natur verfügt bereits über eigene Werkzeuge gegen chemische Belastung.
Manche Bodenbakterien reagieren erstaunlich flexibel auf Störungen.
Solche Eigenschaften könnten helfen, belastete Ökosysteme besser zu verstehen und gezielter zu entlasten.

Tischler resümiert: „Das Wissen um diese Prozesse ist für uns sehr wichtig, weil es uns nicht nur hilft zu verstehen, wie man Schadstoffe aus der Umwelt entfernt, sondern auch wie man Ökosysteme dabei unterstützen kann, dies quasi in Eigenleistung zu schaffen.“

Kurz zusammengefasst:

Bodenbakterien können Schadstoffe wie Phenol, Cresol und Styrol über mehrere Stoffwechselwege abbauen und bleiben dadurch auch unter wechselnden Bedingungen aktiv.
Rhodococcus opacus 1CP besitzt ein großes Genom mit vielen ähnlichen Enzymen, die sich bei Ausfällen gegenseitig ersetzen können.
Diese Flexibilität ist für belastete Böden wichtig, weil der Abbau chemischer Stoffe auch bei Schwankungen von Temperatur, Sauerstoff und Nährstoffen weiterlaufen kann.

Übrigens: Während Bodenbakterien Schadstoffe aus der Umwelt abbauen, rückt ein ganz anderes Bakterium im Körper in den Blick: Helicobacter pylori, das Entzündungen, Geschwüre und ein erhöhtes Magenkrebsrisiko fördern kann. Neue Daten machen nun Hoffnung auf einen deutlich stärkeren Wirkstoff, der selbst resistente Keime besser treffen könnte. Mehr dazu in unserem Artikel.