Stikstofmonoxide is een signaalmolecuul en een toxine die een belangrijke rol speelt in de microbiële stikstofcyclus. Een onderzoek door microbiologen van de Radboud Universiteit en het Max Planck Institute for Marine Microbiology laat nu zien dat anammoxbacteriën stikstofmonoxide verslinden in concentraties waarbij dit dodelijk zou zijn voor alle andere levensvormen. De resultaten veranderen het huidige idee van de stikstofcyclus op aarde en vergroten de toepassing van anammoxbacteriën in door de mens gemaakte ecosystemen.

Stikstofmonoxide (NO) is een fascinerend en veelzijdig molecuul, belangrijk voor al het leven. Het molecuul is namelijk zeer reactief en toxisch, wordt gebruikt als signaalmolecuul, vermindert de ozonlaag in onze atmosfeer en is de voorloper van het broeikasgas distikstofmonoxide (lachgas, N2O). Het huidige onderzoek van microbiologen werpt nieuw licht op het metabolisme van stikstofmonoxide in anammoxbacteriën.

Anammoxbacteriën

Een grote onbeantwoorde vraag over stikstofmonoxide is: kan een organisme het gebruiken om te groeien? ‘Dat zou je wel denken’, vertelt Boran Kartal van het Max Planck Institute for Marine Microbiology, ‘want stikstofmonoxide is al sinds het begin van het leven op aarde aanwezig.’ Maar tot nu toe was er geen microbe bekend die op hoge concentraties van stikstofmonoxide kon groeien.

Nu heeft het multidisciplinaire team van onderzoekers ontdekt dat de anaerobische ammonium-oxiderende (anammox) bacterie NO direct gebruikt om te groeien, en het omzet in het onschadelijke stikstofgas (N2) in plaats van het broeikasgas N2O. Hierdoor wordt dus steeds een NO-molecuul minder omgezet in een broeikasgas. ‘Zo verminderen anammoxbacteriën het gehalte NO dat beschikbaar is voor broeikasgasproductie door andere bacteriën,’ verklaart Kartal.

‘Ons werk is belangrijk om te begrijpen hoe anammoxbacteriën N2O- en NO- emissies reguleren in natuurlijke en door de mens gemaakte ecosystemen, zoals waterzuiveringsinstallaties.’

Herziening vstikfstofcyclus

Stikfstofmonoxide staat centraal in de cyclus van stikstof. ‘Deze bevindingen veranderen ons begrip van de stikstofcyclus op aarde. We dachten dat stikfstofmonoxide voornamelijk een toxine was, maar hier laten we zien dat anammoxbacteriën erop kunnen leven door NO om te zetten in N2,’ stelt Kartal. Het huidige onderzoek roept nieuwe vragen op. ‘Anammox werkt niet op de manier waarop we aannamen dat het werkte.’ Annamoxbacteriën zijn overal ter wereld gevonden. ‘Dat betekent dat de anammoxmicroben die op stikstofmonoxide groeien zich ook overal zouden kunnen bevinden.’

Veel nieuwe vragen

‘Op dit moment speuren we verschillende ecosystemen van over de hele wereld af, op zoek naar gespecialiseerde stikstofcylus micro-organismen die nog niet ontdekt zijn’, vertelt Mike Jetten, hoogleraar Microbiologie aan de Radboud Universiteit. ‘We willen graag weten hoe deze micro-organismen interacties hebben met andere stikstofcyclus- en methaanoxiderende microben.’ Daarnaast zijn deze nieuwe (combinaties van) microben belangrijke voor toepassing in verschillende waterzuiveringsinstallaties.

De concentratie medicijnen in zoetwater is wereldwijd in twintig jaar tijd flink toegenomen. De hoeveelheid antibioticum ciprofloxacine in water is zelfs zo hoog, dat er een risico op schadelijke ecologische effecten is. Dit blijkt uit onderzoek door milieukundigen van de Radboud Universiteit.

‘Informatiebeschikbaarheid is een groot probleem bij het goed in kaart brengen van de risico’s van medicijnen in het milieu wereldwijd. Er bestaan weliswaar modellen die concentraties medicijnen in het milieu op een gedetailleerde schaal kunnen voorspellen, zoals het ePiE model, maar deze zijn vaak alleen te gebruiken voor plekken waar we veel informatie over hebben, zoals Europese rivieren’, aldus Rik Oldenkamp, eerste auteur van de publicatie.

Met het nieuwe model van de onderzoekers, dat voortbouwt op een bestaand model met minder hoge resolutie, is het juist wel mogelijk om wereldwijd voorspellingen te doen op het niveau van individuele ecoregio’s. Hij bracht samen met collega’s voor het eerst de risico’s van twee medicijnen in zoetwater wereldwijd in kaart.

Schadelijke concentraties

Voor de twee middelen die in de studie zijn onderzocht – carbamazepine, een medicijn tegen onder andere epilepsie, en ciprofloxacine, een antibioticum – waren de milieurisico’s in 2015 wel 10 tot 20 keer hoger dan in 1995. Vooral de toename van menselijk gebruik van ciprofloxacine verhoogt de risico’s wereldwijd.

‘De concentraties van dit antibioticum zijn schadelijk voor de bacteriën in het water, die op hun beurt een belangrijke rol spelen in allerlei voedselkringlopen. Daarnaast kunnen antibiotica ook een negatieve invloed hebben op de effectiviteit van bacteriënkolonies die worden gebruikt in waterzuivering’, aldus Oldenkamp.

Antibioticaresistentie

Antibioticaresistentie is een onderwerp dat al enkele jaren op de agenda staat van de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) en de Algemene Vergadering van de Verenigde Naties. Oldenkamp: ‘Over het algemeen wordt het gezien als probleem van de gezondheidssector: resistente bacteriën kunnen verspreid worden binnen ziekenhuizen of via de veehouderij. Maar nog weinig bekend is de rol die het milieu in dit probleem speelt, hoewel deze wel van essentieel belang is. Mensen worden immers ook blootgesteld aan bacteriën via afvalwaterzuivering, rivieren en meren.’

Risicovolle gebieden

‘Vooral in ecoregio’s in dichtbevolkte en droge gebieden zoals in het Midden-Oosten voorspellen we een hoog milieurisico in ons model, hoewel dat juist de plekken zijn waar weinig data beschikbaar zijn over medicijnconsumptie en concentraties in het water’, zegt Oldenkamp. De onderzoekers voorspelden in deze gebieden de menselijke medicijnconsumptie met behulp van regressiemodellen op basis van consumptie in andere landen en socio-economische en demografische informatie, en koppelden dit aan informatie over onder andere waterstromen en hoeveel mensen er aangesloten zijn op waterzuivering.

Oldenkamp: ‘Dat juist in dit soort gebieden nieuwe meetgegevens nodig zijn, laat ons model zien. Uiteindelijk geeft dit model een eerste aangrijpingspunt waarmee we meer inzicht kunnen krijgen in de risico’s van allerlei medicijnen in het milieu wereldwijd.’