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Die Bindung des atmosphrischen Stickstoffs durch Mikroorganismen.

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( 1967).
Die Bindung des atmospharischen Stickstoffs durch Mikroorganismen
Von Diethelm Kleiner[*I
Zum Gedenken an Artturi Ilmari Virtanen
Die Erforschung der enzymatischen Assimilation von molekularem Stickstoff (Nz-Fixierung)
hat in den letzten Jahren entscheidende Fortschritte gemacht. Neben der rein wissenschaftlichen
Seite dieses Vorgangs gewinnen auch die technologischen Aspekte immer mehr an Interesse.
In diesem Fortschrittsbericht werden einige der wichtigsten Ergebnisse aus biochemischer Sicht
zusammengefaot.
1. Einleitung
Atmosphare
Die Bindung des atmospharischen Stickstoffs durch Mikroorganismen ist ein Vorgang, der an Wichtigkeit wohl nur
von der Photosynthese ubertroffen wird. Die Pionierarbeiten
zu seiner Erforschung sind eng mit den Namen D. Burk,
P. W Wilson und A. I. Virtanen verkniipft. Aber erst nachdem
es 1960 gelungen war, zellfreie Extrakte mit der Flhigkeit
zur Nl-Fixierung herzustellen'll, nahm die biochemische Aufklarung der enzymatischen Vorgange einen groBen Aufschwung.
Abb. 1 zeigt den Stickstoffkreislauf in der Natur. Danach
gelangt ein Teil des anorganischen Bodenstickstoffs durch
Auswaschen ins Grundwasser, ein anderer geht durch die
Grundwasser
[*] Dr. D. Kleiner
Chemisches Laboratorium der Universitat
78 Freiburg, AlbertstraDe 21
Anyew. Chem. J 87. Jahrg. 1975 J Nr. 3
11)111
Hydrosphare und lithosphare
Abb. I . Kreislauf des Stickstoffs in der Natur (nach
121).
97
Aktivitlt denitrifizierender Bakterien (Reduktion von Nitrat
zu N 2) an die Luft verloren. Diese Verluste werden im allgemeinen durch drei Prozesse ausgeglichen : Bildung von Stickstoffoxiden bei atmospharischen Entladungen (wenige %), industrielle Dungemittelfabrikation (ca. 30%) und mikrobielle Aktivitat (ca. 70%)['].
Viele der zur N 2-Fixierung fahigen Mikroorganismen sind
sicher zur Zeit noch unbekannt. Die bekannten - sowohl
frei als auch in Symbiose lebenden
Organismen gehoren
ausschlieRlich dem Reich der Prokaryonten (Bakterien und
Blaualgen) an (Tabelle f ). Sporadisch immer wiederkehrende
Berichte iiber Nz-Fixierung durch Pilze haben sich bei Nachpriifung mit Hilfe der sehr empfindlichen Acetylenreduktionsmethode (s. Abschnitt 3.2) noch in keinem Falle bestltigen
la~sen'~J.
~
ren) bei Raumtemperatur unmeljbar langsam. Zur Erzielung
eines nennenswerten Umsatzes sind industrielle Temperaturen
von mindestens 400°C und Driicke von etwa 200 atm erforderlich[201.
3. Biochemie der mikrobiellen N 2-Fixierung
3.1. Reaktionsweg
In den N2-fixierenden Mikroorganismen wird die Assimilation
durch den binaren Enzymkomplex Nitrogenase katalysiert.
Dabei wird der Stickstoff nach GI. (1) zu Ammonium-Ionen
Nz
+
8 Ho
+
,,====%
6 eo
2 N H ~ ~ ~ ~ G i u t (1)
a m i n
Tabelle 1. N2-fixierende Organismen
~-
._-
6-15
AT P
a) Frei lebend
I . Bakterien (z. B. Clnsrridrtini, Azoiohac.rer)
2. Blaualgen (z. B. Aizuhacna, Toli~porhrix)
6-15
Phosphat
ADP+
Phosphat
Glutamat
AT P
b) Symhionten
1.
2.
3.
4.
Blaualgen in Flechten
Blaualgen oder Bakterien in Blittern (Blattsymhionten)
Rhizobien in Leguminosen
Mehrere weitgehend unbekannte Mikroorganismen (Actinomyceten'!)
in den Wurzeln von Angiospermen
--
-___
-~
Frei lebende N,-Fixierer sind in der Natur weit verbreitet.
Man findet sie in vielen bode^^[^-*^, in Seen und Meeren['- 13],
auf antarktischen F e l ~ e n [ ' ~in~ ,heiBen Q~ellen["~,im Holz
absterbender Baume['61 sowie im Darm von Termiten" 'I,
Saugetieren"
und Menschen" 'I. Landwirtschaftlich und
Gkologisch bedeutungsvoller jedoch sind die Symbionten, besonders die in den Wurzeln hoherer Pflanzen vorkommenden
Knollchenbakterien.
2. Die Reaktionstragheit des N2-Molekuls
Stickstoff ist als reaktionstrlges Element bekannt. Ein Vergleich einiger physikalischer Eigenschaften und molekularer
Parameter der isoelektronischen Verbindungen N2, CO und
C,H, (Tabelle 2 ) zeigt als Hauptursache fur diese Reaktionstragheit den groljen Zuwachs an Bindungsenergie beim Ubergang von der Doppel- zur Dreifachbind~ng~'~].
Tabelle 2. Physikalische Eigenschaften dei- isoelektronischen Molekiile N2,
CO und C ? H ?(nach [19]).
.
~.
__
:NEN:
:C=O:
HC'ECH
Bindungslange [A]
lonisationsenergie [ev]
Dissoziationsenergie [kcal/mol]
Bindungsenergie [kcal/mol]
I . Bindung
2. Bindung
3. Bindung
1.098
15.6
225
38
100
225
1.128
14.0
235
1.208
11.4
200
x4
170
235
141
200
Wie beim Haber-Bosch-Verfahren kann die Reaktion nur unter betrachtlichem Energieaufwand eingeleitet werden. Diese
Energie wird in Form von ATP bereitgestelltlzx-321. Die Zahl
der zur Umsetzung jedes N2-Molekiilsverbrauchten ATP-Molekiile ist nicht genau bekannt. Sie andert sich bei Untersuchungen in vitro mit den experimentellen Bedingungen['3 .- -w
3.2. Betimmung der Nitrogenase-Aktivitatl""'
Die ;iltesteund direkteste Methode verfolgt die Reaktion mit
Hilfe von schwerem Stickstoff. Das Gewebe oder die Enzympraparation wird nach der Inkubation nach Kjeldahl aufgeschlossen, NH, zu N, oxidiert und der Gehalt an "N massenspektrometrisch bestimmt. Diese Methode wird hauptsachlich zur Aktivitatsbestimmung in vivo angewendet.
Ammoniak kann auch direkt colorimetrisch nachgewiesen
werden, wenn man Enzympraparationen untersucht, die es
nicht weiter umwandeln konnen. Solchen gewohnlich zellfreien
Praparaten miissen dann die in GI. (1) angegebenen'cofaktoren
(Mg", ATP und ein Elektronendonor, wobei sich Dithionit["' sehr gut bewahrt hat) zugefiigt werden.
Die einfachste, empfindlichste und daher am haufigsten angewendete Methode benutzt die gleichfalls durch Nitrogenase
katalysierte Reduktion von Acetylen zu Athylen (s. Abschnitt
3.3). Beide Verbindungen konnen mit geringem Aufwand gaschromatographisch bestimmt werden. Diese Methode ist so
empfindlich, da13 die Fixierungsaktivitat von nur zwei Blaualgenkolonien noch nachgewiesen werden kann13'I.
x3
Obwohl die Reaktion
rnit AGO= - 12 kcal/mol exergonisch ist['"', verlauft sie auch
an den industriellen Eisenkatalysatoren (Haber-Bosch-Verfah98
reduziertr2", die dann wahrscheinlich mit Hilfe des Enzyms
Glutamin-Synthetase an Glutamat gebunden
werdenr221.Ferredoxin''" 2 7 1 fungiert als Elektroneniibertrlger.
3.3. Spezifitat der Nitrogenase
Das aktive Zentrumder Nitrogenase ist nicht sehr substratspezifisch. Bisher ist die Reduktion der in Tabelle 3 aufgefuhrten
Verbindungen unter dem EinfluB des Enzyms in vitro gelungen. 1st kein Substrat zugegen, so reduziert das Enzym
Protonen; es entwickelt sich Wasserstoff. Bemerkenswert ist,
dal3 Acetylen nur bis zum Athylen reduziert ~ i r d [ ~ ' ]In. D,O
bildet sich dabei ausschliel3lich c ~ ~ - C , H , D , [ ~ ~ ~ .
Angen. Chem. 87 Juhrq. 1975 / N r . 3
3.5. Physikochemische Charakterisierung der Komponenten
Tabelle 3. Durch Nitrogenase reduzierte Verbindungen (nach [39]). n =Zahl
der iiberlragenen Elektronen, v,*j= relative Reaktionsguschwindigkeit.
n
Substrat
Produkt
N,
NB
NrO
C>H,
HCN
2NH,
NHitN,
H20+N2
C H4
CH,. C,H,. NU,,
CHiNHi
CzHh, N H ?
C H INH,, C H j
C ~ H I C>Hh
,
C t H , , C3Hs
CH K N
CH INC
2 HQ
H2
6
2
2
2
6
4
6
6
8, 10
12, 14
2
Tabelle 4 zeigt die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Nitrogenase-Komponenten einiger Organismen. Trotz
unterschiedlicher Herkunft der Komponenten gleichen sich
ihre Eigenschaften in hohem MaBe. Bemerkenswert sind das
Vorkommen von Molybdan in Komponente I sowie die Kaltelabilitat der Komponente I1 von manchen Organismen. Dem
niedrigen isoelektrischen Punkt entsprechend zeigen die bisher
V,,I
1
3
3
3-4
0.6
0.2
0.8
4
Tabelle 4 Eigenschaften der Nitrogenase-Komponenten aus Mikroorgdnismen
___
~
Die relativen Reaktionsgeschwindigkeiten der Umsetzungen
stehen - abgesehen von den unubersichtlichen Reaktionen
der Cyanide und Isocyanide - in etwa umgekehrtem Verhlltnis
zur Zahl der ubertragenen Elektronen. Es wird daher angenommen, daD die Aktivierung der Elektronen der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist. Eine kinetische Analyse der gegenseitigen Beeinflussung der Substrate hat zur Hypothese
eines flexiblen aktiven Zentrums gefuhrt, das imstande ist,
Substrate unterschiedlicher Struktur zu binden["" Alle Reaktionen auger der H2-Entwicklung werden durch C O gehemmt["'.421. Von physiologischer Bedeutung ist die Reaktionshemmung durch das Produkt ADPLj3](s. Abschnitt 4).
Es ist noch nicht geklart, ob dabei nur Produktvergiftung oder
auch eine regulatorische Hemmung des Enzyms vorliegt[3944 j5! Sauerstoff denaturiert das Enzym irreversibel.
_ _ ~-
- -
Komponente I
Komponente I1
____
._
~_
Organismus
In1
_
___
-~
Llt
__
Molekulargewicht :
220000
-
-
55 000
56000
210000
270-300000
216000
218000
200000
-
64 000
66 800
-
_____
C P
c. p.
c. p.
A v.
A. v.
K. p.
Rh. j.
Llnkreinheiten :
2 x 60 000
+ 2 x 51 000
2 x 27 500
c. p.
-
c. p.
2x27500
c. p.
A. v.
A. v.
2 x 60000
+ 2 x 50000
-
-
4 x 70000
4 x 56 oon
2 x 50000
+2x60000
4 x 50000
2 Arten
2 x 33000
2 x 34600
~--
K . p.
Rh. j.
Chr.
___
-
Isoeleklrischer Punkt:
3.4. Reinigung des Enzyms
Die Denaturierung durch Sauerstoff ist die Hauptschwierigkeit
bei der Reindarstellung der Nitrogenase. Alle Handhabungen
miissen in einer sauerstofffreien Atmosphare (unter N,, H,
oder Ar) durchgefuhrt werden.
Bulen und Le C ~ r n t e [entdeckten
~~]
1966, daB die Nitrogenase
ein Komplex aus zwei leicht voneinander trennbaren Proteinen
ist, die in Ermangelung systematischer Namen mit Komponente I (Mo-Fe-Protein, Molybdoferredoxin, Azofermo) und
Komponente I1 (Fe-Protein, Azoferredoxin, Azofer) bezeichnet
werden. Im Lauf der Zeit wurde ein generelles Reinigungsschema mit den folgenden Hauptschritten entwickelt:
1. Herstellung eines Rohextraktes,
2. Grobreinigung (hauptsachlich fraktionierende Fallungen),
3. Chromatographie an Diathyl-aminoathyl-cellulose. Durch
Eluierung mit Laufmitteln verschiedener Ionenstarken konnen
beide Komponenten in noch unreiner Form voneinander getrennt werden,
4. weitere Reinigung der isolierten Komponenten (Gelfiltration, Elektrophorese, fraktionierende Fallungen, Hitzedenaturierungen).
Diese Trennung der beiden Komponenten und deren Reindarstellung ist fur mehrere Mikroorganismen beschrieben worden.
Es hat sich in jedem Fall gezeigt, daD keines der beiden
Proteine allein in Gegenwart aller Cofaktoren die Reduktion
von N 2 zu katalysieren vermag.
Vermutungen, daI3 noch ein drittes Protein zur vollen Nitrogenase-Aktivitat notig seir4' 4R1,haben sich nicht bestatigt'"'!
Angew. Chem. 87. Jahrg. 1975
1 Nr. 3
5.0
5.2
5.5
4.6
4.7
4
c. p.
A. v.
K. p.
Gehail a n M o [Atome pro Molekul]:
1-1.5
1.73
1.8
1.54
I .04
1.3
I- 2
~
~
0
0
-.
-
c. p.
c. p.
A. v.
A. v.
K.p.
R h . j.
Chr.
Gehalt a n Fe [Atoine pro Molekiil]:
c . p.
c . p.
c. p.
.-
12-1 8
22- 24
34-38
24
18
29
___
A. v.
A. v.
K.p.
Rh. j.
_
Gehalt an SZQ [Atome pro Molekul]
4
8-1 5
3 4
22-24
26-28
20
16.1
26
-
3
3 82
~
c. p.
C.
c.
A.
A.
p.
p.
v.
v.
K.p.
Rh. j.
Kaltelabilitlt:
-
t
c. p.
1601
-
A. v.
K. p.
M. f.
c551
1621
+
+
c611
[a] Abkiirzungen: C. p. - Clostridium pasteurianum; A. v. - Azotobacter cinelandii; K. p. - Klr~hsiellopncumoniac: Rh. j. _ Rhizohirim japonicurn. Chr.
- Chromatium ainosum; M. f. -- Mycobacteriumflaoum.
99
ATP vollstandig zu reduzieren, wobei dessen Signal weitgebekannten Aminosiiureanalysen von I und I1 fur alle Organismen eine Dominanz der sauren A m i n ~ s a u r e n " ~ - h4',
~ ~ . ~ ~ ' hend verschwindet (0. ATP konnte dabei zur Elektronenaktivierung oder Konformationdnderung von I1 fuhren. wonach
wobei das Fehlen von Tryptophan in I1 aurallt. Die AminosCudann eine Elektronenubertragung stattfinden kann.
rezusammensetzung laBt nach Marchalonis und We/tmun'"51
fur die Komponenten I aus C. pusteurianum, K . pneumoniur,
.4. i+wlurutii und Rh. juponicutti auf die Evolution aus einem
Komponente 1
Gemisch
Komponente II
gemeinsamen Vorfahren schliekn. Desgleichen diirften die
Komponenten 11 aus C. pasrcwrianrtm. A. i~inrlandiiund K .
pneumoniur aus einem Urprotein entwickelt worden sein.
Mit Hilfe der MoRbauer-Spektroskopie konnte gezeigt werden, daB die Fe-Atome von I drei Gruppen mit unterschiedlichen Spektren angehoren, in I1 aber gleichartig gebunden
sindi"''. Das Vorkommen von Eisen und Sulfidschwefel in
etwa gleichen Mengen, die charakteristischen ESR-Signale
V
(s. Abschnitt 3.7). die Absorptionsspektren im sichtbaren BeA
reich und im nahen UVI'''] sowie die H2S-Entwicklung beim
AnsCuern klassifizieren beide Nitrogenase-Komponenten als
Eisen-Schwefel-Proteine'"-]. Viele Angehorige dieser unter den
Prokaryonten weit verbreiteten Klasse zeichnen sich durch
cin sehr iiiedriges Elektronenubertragungspotentialaus.
1.3 3 11
205.20lJ 9C
-9
L.29, ,377
3.6. Kombinationder Komponenten aus verschiedenen Organismen
2 01
205~ 1.91
63
@q -9
-9
A h h . 2. ESK-Spehtrender Nitroeenase-Komponenlrn I und I 1 von C. pasrnrriliiiuin unter verschiedenen Bedingungen. a ) - g ) siehe T e l l liiach [70]).
Obwohl sich die Nitrogenase-Komponenten verschiedener
Organismen sehr Phneln, lassen sie sich doch nicht beliebig
zu aktiven Komplexen kombinieren. Besonders taxonomisch
nur weitliiiifig Verwandte zeigen geringe Kooperationsbereitschaft 1.14.6 8 . h')1. So sind z.B. weder die Kombination I aus
A. ~inelundii(obligater Aerobier) plus I1 aus C. pasrrrrrianurn
(obligater Anaerobier) noch die reziproke Mischung zur N,-Fixierung imstande'"''l. Naher Verwandte geben eher positive
Resultate. Sosind z. B. ~mtliche..Kreuzungen"der Nitrogenase-Proteine von B. polyrnyxu und K .pneurnoniac (beides fakultative Anaerobier) etwa genauso aktiv wie die homologen
Kombinationen''"]. Es 1st noch nicht bekannt, wodurch diese
Unterschiede hervorgerufen werden. da weder Aminos"auresequenz noch Tertilrstruktur von irgendeinem Nitrogenase-Protein behannt sind.
3.7. Elektronentransport und Reaktionsmechanismus
Die Rolle der beiden Komponenten beim Gesamtvorgang
ist erst in letzter Zeit mit Hilfe der ESR-Spektroskopie aufgeklirt worden'-"- - 5 1. Abb. 2 zeigt die ESR-Spektren beider
Komponenten von c'. pa.s/eirriunurn einzeln und im Gemisch
bei 13K rnit und ohne C'ofaktoren. Es wird angenommen,
daB die Signale bei g=4.29, 3.77 tind 2.01 halbreduziertem
I zukommen, wahrend reduziertes I keine Signale ergibt. Dagegen sol1 oxidiertes 11 keineSignaleaufweisen.aber nach Reduktion Signale bei g=4.3, 2.05, 1.94 und 1.88 zeigen. Demnach
liegt I auch in Gegenwart von Dithionit in halbreduzierter
Form vor (a). I1 dagegen in reduzierter (b). Das Signal des
Gemisches (c)zeigt schwache Wechselwirkungen beider Komponenten an. ohne daB eine Elektronenubertragung stattfindet.
Zugabe von MgATP hat keinen EinfliiB auf das Spektrum
von I (d). versndcrt aber das Spektrum von I1 (e). Daraus
wird airf die Bindung von MgATP an 11 geschlossen, ein
Befund. der auch unabhiingig durch Bindungsstudicn'-'".-'I
und anderr Experimente'"] bestatigt worden ist. Der Komplex
van I1 niit MgATP ist nun imstande. I unter Hydrolyse von
100
Nachdem die Elektronenquelle erschopft ist, ist I1 oxidiert
und I halbreduziert, und man sieht dann nur die Signale
von I (g). Demnach ware fur die enzymatische Reduktion
von N: ein ElektronenfluR wie in GI. (2) zu postulieren.
( 2)
ATP
ADP
Durch diese Untersuchungen ist m a r der Elektronentransport
im Enzym-Komplex weitgehend aufgeklart worden. aber
nichts iiber die Beschaffenheit des aktiven Zentrums und den
Mechanismus der Nz-Reduktion ausgesagt. Der alteste und
naheliegendste Vorschlag'7''' nahm eine Reduktion des N z
in drei Schritten uber Diimin und Hydrazin zu Ammoniak
an. Trotz intensiver Suche konnte aber keines dieser Zwischenprodukte entdeckt werden, uberdies lassen sich weder Hydrazin noch Diimin durch Nitrogenase reduzieren[80.811.Zwei
andere Mechanismen[" I q 1 betonen die Flhigkeit von Mo"'
und Mo". stabile Verbindungen zu bilden. AuBerdem wurde
in Analogie zu den anorganischen N,-Komplexen[82'1 die endsvindige Bindung des N > postuliert1*']. Keine dieser Theorien
kann sich aber bislang auf experimentelle Beweise stutzenr'].
4. Die Regelung der Nitrogenase-Aktivitat in vivo
Wieerwahnt, ist diemikrobielleReduktiondes N: nurdadurch
moglich, daB zur Aktivierung des reaktionstragen N ?-Molekuls Energie in Form von ATP verbraucht wird. Damit ist
dieser Assimilationsvorgang fur den Organismus recht kost-
I'[
Anmsrhung ilur Redahtion: Uber die neuesten Amchauungen m n i
Mechanismus der Sticlstoll-Redukiion uird in Kiirze G. N . S<hruir.-rr in
dirsrr Zeilschrifi hcrichten.
Aiiyiw. Cliiwi , 87. Jcihrg. l Y 7 3
,
Nr. 3
spielig. In vielen N,-Fixierern hat sich daher im Laufe der Evolution ein Regulationssystem entwickelt, in dem die Nitrogenase-Synthese durch das Produkt NH: reprimiert ~ i r d [ " - ~ ~ !
Die extrazellulare NH: -Konzentration, bei der diese Repression eintritt. kann bei manchen Organismen sehr gering
sein (z.B. a.lOpmol/l bei A. uinelandii'"]). Durch diesen
groben Steuermechanismus wird bei ausreichendern extemem
Angebot an NHT- (und NO?)-Ionen die dann unnotige und
kostspielige Nr-Assimilation gebrernst. Eine Induktion der
Synthesedurch das Substrat Nz diirfte dagegen nicht vorliegen.
Sie ware vom Standpunkt der Evolution auch sinnlos, da
esaufder Erde kaum ein von N 2 freies Biotop geben diirftelnyl.
Ein zweiter, feinerer Steuermechanismus, der schon erwahnt
wurde, wirkt iiber die Inhibierung des Enzyms durch ADPIJJ1.
Der Organismus ist somit nicht in der Lage, seinen gesamten
Bestand an ATP zur NI-Fixierung zu verwenden. falls das
dabei entstehende Produkt ADP nicht sofort wieder in ATP
umgewandelt wird. Auch wenn ein niedriger ATP-Spiegel allein schon die N 2-Fixierung verlangsamt. wirkt ADP dariiber
hinaus noch als Verstarker dieses Signals an die Nitrogenase.
AMP hat keine Hemmwirkung'"'.
5. Miiglichkeiten technologischer Nutzung
Anwendungstechnische Aspekte fur die biologische N 2-Assimilation ergeben sich auf den Gebieten der Landwirtschaft,
des Umweltschutzes und der Lebensmitteltechnologie.
5.1. Landwirtschaft und Umweltschutz
5.1.1. Symbionten
Es ist seit langem bekannt, daD der Anbau von Leguminosen
die anschlienende Ernte anderer Kulturpflanzen fordert (Griindungung)["r. Die Ursache liegt in der Nr-Assimilation durch
Knollchenbakterien (Rhizobien), die 80-90 "/, ihres Stickstoffs
an die Wirtspflanze abgeben konnen[y31.Vor allem Virtanm
ist die Entwicklung sehr aktiver Rhizobienstlmme zu verdanken, die zur Beimpfung von Leguminosensamen verwendet
werden und zu beachtlichen Ertragssteigerungen gefuhrt haben.
Bis jetzt ist allerdings ungeklart. welche Faktoren die Rhizobien veranlassen, gerade rnit den Leguminosen eine Symbiose
einzugehen. A n der AufklPrung dieses Problems wird zur Zeit
intensiv gearbeitetIg4."I in der Hoffnung, auch andere Kulturpflanzen zur Symbiose mit RHizobien veranlassen zu konnenlq5].Stimulierend diirftedabei die vor kurzer Zeit entdeckte
Symbiose zwischen einer Nicht-Leguminose I E e m asperrc)
und einem Bakterium des Genus Rhizobiurn wirkenrqn!
Neben den Leguminosen gibt es weitere N ?-assimilierende
Symbiosen von okologischer Bedeutung. z. B. in den Flechten
und in den Wurzeln einiger Angiospermen und GymnosperIm letzteren F-alleist die Isolierung des Endophyten
(wahrscheinlich ein Actinomycetl""') noch nicht gelungen. Beide Gruppen sind fur die Besiedlung ausgewaschener arider
Boden auBerst wichtig, die arm an den leichtliislichen Nitraten
und Ammoniumsalzen sindf"2,q31
5.1.2. Frei lebende Mikroorganismen
Die frei vorkommenden N2-Fixierer scheiden bis ZLI 80",;l '
des von ihnen assimilierten Stickstoffs in gebundener Form
Atiqerv. Clwm. : 87. Johry. 197.5
Nr. 3
aus (u.a. als NH,"".
loll, Hydroxylaminderivate~'02~,
Aminos;iurenl'"'. '"41, Peptidel'"51, w"chsst&el I O ~ I FungiSde'1~hl).
,
Diese Exkrete konnen von hoheren Pflanzen aufgenommen
und verwertet werdenl'07.10RI.
Die Zahl frei lebender N2-Fixierer ist in den meisten Bijden
klein im Vergleich zur Zahl anderer Bodenbakterien['"''. Man
nimmt aber an, daO frei lebende Nz-Fixierer infolge ihrer
groDen Verbreitung einen zwar geringen, aber signifikanten
Beitrag zur Bodenfruchtbarkeit leisten (5-20kg N pro ha
und Jahr im Vergleich zu 100-300 bei Legurnino~en'"~~~').
Eine Steigerung dieses Beitrags ist auf zwei Arten moglich:
a) durch Ubertragungdesgenetischen Materials zur N2-Fixierung (,,nif-Gene") auf haufig vorkommende Bodenbakterien,
b) durch Optimierung der Lebensbedingungen fur frei lebende
N 2-Fixierer.
Zu a ) Kiirzlich ist durch Konjugation die Ubertragung der
nif-Gene von K . pneumoniae auf E. coli gelungen[l'"l, das
sonst keinen Luftstickstoff assimilieren kann. Dieser Erfolg
hat zu g r o k r Hoffnung AnlaB gegeben. Aber bis zu einer
technologischen Anwendung diirfte es noch weit sein, und
eine von phantasiereichen Journalisten anvisierte ubertragung
der nif-Gene ins menschliche Erbmaterial gehort bis auf weiteres zur science fiction.
Zu b) Die Zahl der Nz-Fixierer kann sich unter giinstigen
okologischen Bedingungen so erhohen, daR fast der gesamte
Stickstoflbedarf eines Biotops durch ihre Aktivitat gedeckt
wird. Das ist der Fall, wenn in stickstoffarmen Boden die
zur N 2-Assimilation benotigte Energiemenge zur Verfugung
steht. Diese Energie stammt letztlich immer aus der Sonnenstrahlung und wird entweder durch Photophosphorylierung
oder Photosynthese (Kohlenhydratbildung) und oxidative
Phosphorylierung in Form von ATP konserviert. Zur Photophosphorylierung befiahigte Bakterien und Blaualgen finden
besonders gute Lebensbedingungen in den warmen, lichtreichen Uberschwemmungsgebieten der Reisfelder" I I]. Ihr hoher
Beitrag zur Stickstoffbilanz wurde durch Messungen der N,Fixierung in situ bestatigt" Iz.
Ferner ist aus zahlreichen
Versuchen bekannt, daD sich die Reisertrage durch Beimpfung
der Felder mit diesen Organismen steigern lassen" I J - I -I.
Andere giinstige Biotope finden sich in den Wurzelzonen einiger Pflanzen. wenn die Wurzeln groRere Mengen an organischen Verbindungen ausscheiden. (Die Reduktion von 1Omg
Nr benotigt ca. 1 g Kohlenhydrat!) Am besten untersucht
sind die Rhizospharen von Zuckerrohr und Bahiagras (Paspal i d ' I R . l9]). Diese Pflanzen sezernieren so vie1 Kohlenhydrat.
daR Zuckerrohrfelder z. T. iiber 100 Jahre ohne Stickstoffdungung kultiviert wurden und keinerlei ErnteeinbuDen zeigtenf 1 I v,
Es ist versucht worden. die Ernteertrage auch anderer Kulturpflanzen (Mais, Weizen. Hafer, Kartoffel usw.) durch Beimpfung der Felder mit N,-Fixierern (besonders Azotobucter)
zu erhohenl'""- ' x -'"1. In den meisten Fallen hatte die Anwendung dieser .,Bakteriendunger" auch eine leichte Ertragssteigerung zur Folge. Ironischerweise diirfte das aber weniger
auf eine Erhohung des N-Gehaltes (wegen Energiemangel)
als auf die oben erwahnte bakterielle Produktion von Wuchsstoffen und Fungiziden zuriickzufiuhren sein11n6.'2 1 1. Wegen
des hohen Aufwandes geht die Anwendung der .,Bakteriendiingung" in letzter Zeit stark zuriick~'""! Neues Interesse konnte
diese Technologie aber finden, wenn E'ragen des Umweltschut101
zes und der Industrieabhangigkeit der Landwirtschaft in den
Vordergrund treten. Der Stickstoff des Kunstdungers kommt
den Pflanzen nur zu einem kleinen Teil zugute; der Rest
geht durch Auswaschung ins Grundwasser verlor e n [ 1 0 9 . 1 " k . 1 2 C 1 . Da s wieder tragt zur Nahrstoffanreicherung
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der Gewasser und ihrer Eutrophierung bei. Dagegen werden
die N-haltigen Sekrete der Mikroorganismen kontinuierlich
abgegeben und wahrscheinlich besser im Boden festgehalten.
Das Hauptproblem besteht nach wie vor in der Beschaffung
einer billigen Energiequelle. Immerhin konnte schon gezeigt
werden, da5 der Stickstoffgehalt des Bodens unter bestimmten
Bedingungen durch Strohzugabe (Cellulose) erhoht werden
kann. Die Ursache war eine stimulierende Wechselwirkung
zwischen N,-fixierenden und cellulose-zersetzenden Bakte,.ien[126. 1271
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Es sei noch erwahnt, da5 frei lebende N2-Fixierer wegen ihres
hohen Kohlenhydratverbrauches fur die biotechnologische
Reinigung von Abwassern mit hohem Gehalt an organischen
Verbindungen von Bedeutung sein konnten"28,
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Die Versorgung der Weltbevolkerung mit Kohlenhydraten
und Proteinen ist eines der dringendsten Probleme unserer
Zeit. Obwohl es sich dabei vorrangig um ein politisches Problem handelt" 301, miissen auf lange Sicht doch neue Methoden
der Lebensmittelbeschaffung entwickelt werden. Hier sei nur
kurz auf zwei unorthodoxe Losungen des Proteinprobiems
hingewiesen.
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Es gibt Papuastamme auf Neuguinea, deren tagliche Nahrung
fast ausschliefilich aus ca. 2 kg Suljkartoffeln mit Blattern
besteht. Trotz des sich daraus ergebenden permanenten
Proteinmangels ist das Gebiet dicht bevolkert, und die Erwachsenen konnen schwere Arbeit verrichten" 3 ' 1 . Des Ratsels Losung konnte die kurzlich in der Darmflora dieser Papuas
entdeckte signifikante Aktivitat von Nz-Fixierern sein1IX1.
Eine mexikanische Forschergruppe" 321 fand bei der Untersuchung eines indianischen Maisbreies (,,Pozol"), da5 sich dessen
N-Gehalt im Laufe der ortsublichen Fermentationsperiode
von 5 bis 10 Tagen um 30 bis 60 "/, erhohte. Sie fuhren diese
Anreicherung auf die Aktivitat von N2-Fixierern zuruck. Diese
Annahme sollte aber noch nach der Acetylenreduktionsmethode uberpruft werden. Immerhin ist es in diesem Zusammenhang bemerkenswert, da13 die Fermentation von Nahrungsmitteln bei vielen au5ereuropaischen Volkern weit verbreitet
ist[1331.
Fur die kritisrhe Durchsicht des Manuskripts undjiir unregende
Diskussionen mochte ich Herrn Prof. K . Wullenfels herzlich
danken.
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