Stickstoff ist ein unverzichtbarer Bestandteil aller lebenden Organismen und spielt eine zentrale Rolle in der Landwirtschaft. Hier wird Stickstoff oft als Dünger eingesetzt, um hohe Erträge zu erzielen. Allerdings ist die Produktion und Anwendung von Stickstoffdüngemitteln energetisch und ökologisch problematisch. Ein Ansatz, um diese Herausforderungen zu meistern, besteht darin, die natürliche Stickstofffixierung von Bakterien und Archaeen auf Nutzpflanzen zu übertragen. Diese biologische Stickstofffixierung könnte den Bedarf an chemischen Düngemitteln reduzieren und nachhaltige landwirtschaftliche Praktiken fördern.
Der Prozess der biologischen Stickstofffixierung erfolgt hauptsächlich durch spezialisierte Mikroorganismen, insbesondere durch die sogenannten Diazotrophen. Diese Mikroben sind in der Lage, elementaren Stickstoff (N₂) aus der Luft in biologisch verwertbare Formen wie Ammoniak (NH₃) umzuwandeln. Dieses geschieht mithilfe des Enzyms Nitrogenase, das in Abwesenheit von Sauerstoff funktioniert. Angesichts der Tatsache, dass Pflanzen während der Photosynthese Sauerstoff produzieren, stellt dies eine Herausforderung dar.
Die Rolle des Shethna-Proteins II
Eine aktuelle Forschung unter der Leitung von Prof. Oliver Einsle an der Universität Freiburg hat das Shethna-Protein II näher untersucht. Dieses Protein spielt eine entscheidende Rolle beim Schutz der Nitrogenase vor oxidativer Schädigung durch Sauerstoff. Bei einem Anstieg der Sauerstoffkonzentration formt Shethna-Protein II schnell einen Komplex mit den Komponenten des Enzyms Nitrogenase, um diese zu schützen. Dieser Vorgang ist entscheidend, da die Nitrogenase empfindlich auf Sauerstoff reagiert und ohne geeignete Schutzmechanismen nicht effizient arbeiten kann.
Das Shethna-Protein II bindet an die Nitrogenase und ihre zugehörige Reduktase und bildet dabei lange Filamente, die die aktiven Zentren der Nitrogenase vor Sauerstoff abschirmen. Sobald der Sauerstoffstress überwunden ist, löst sich dieser Komplex auf, sodass das Enzym seine Arbeit fortsetzen kann. Diese Mechanismen sind enorm wichtig, da die Nitrogenase die essentielle Reaktion katalysiert, die lautet: N₂ + 8H⁺ + 8e⁻ → 2NH₃ + H₂, und damit die Grundlage für die Stickstofffixierung bildet.
Vorteile und Herausforderungen der Stickstofffixierung
Die Bedeutung der Stickstofffixierung kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Ohne diesen Prozess wäre das Wachstum von Pflanzen stark eingeschränkt, was die gesamte Nahrungskette beeinflussen würde. Stickstofffixierende Bakterien, wie Rhizobien, gehen häufig eine Symbiose mit Leguminosen, wie Erbsen oder Bohnen, ein. Diese Symbiose verbessert die Stickstoffzufuhr für die Pflanzen und reduziert den Bedarf an externen Stickstoffquellen, was gleichzeitig die Bodenfruchtbarkeit fördert.
Im Gegensatz zur biologischen Stickstofffixierung gibt es die chemische Stickstofffixierung, die industriell, hauptsächlich durch das Haber-Bosch-Verfahren, erfolgt. Dieses Verfahren wandelt N₂ in NH₃ um und erfordert hohe Temperaturen (ca. 500 °C) sowie hohen Druck (ca. 200 Bar), was es energieintensiv macht und etwa 1-2% des weltweiten Energieverbrauchs ausmacht. Die chemische Fixierung hat den Vorteil der Massenproduktion von Düngemitteln, birgt jedoch auch Herausforderungen in Form von hohem Energiebedarf und Umweltbelastungen.
Insgesamt zeigt die Forschung, dass die Optimierung und das Verständnis der biologischen Stickstofffixierung durch Proteine wie das Shethna-Protein II nicht nur das Pflanzenwachstum unterstützen kann, sondern auch dazu beiträgt, die Abhängigkeit von chemischen Düngemitteln zu verringern. Damit rückt die nachhaltige Landwirtschaft in greifbare Nähe und könnte langfristig eine Lösung für viele umweltbedingte Herausforderungen bieten.
Für weiterführende Informationen zu den Mechanismen der biologischen Stickstoffbindung und den Erkenntnissen über das Shethna-Protein II lesen Sie die Artikel auf Uni Freiburg, Nature und StudySmarter.