Anammox

Příběh začíná nelibou vůní zkažených vajec z odpadů bohatých na sulfidy, která obtěžovala obyvatele Delftu. Továrna Gist-Brocades nechtěla být nikomu trnem v oku, a tak začala někdy v polovině osmdesátých let zpracovávat tekutý odpad obsahující sulfidy v uzavřených tancích, bez přístupu kyslíku. Zápach zmizel. Jedna věc však pracovníkům továrny vrtala hlavou. Do té doby se mělo za to, že se amoniak může rozkládat jen za přístupu kyslíku, koncentrace amoniaku v tancích se tedy neměla měnit. V rozporu s očekáváním však klesala a vznikal dusík. A tak se mikrobiolog z delftské techniky J. Gijs Kuenen začal zabývat jevem, o němž většina mikrobiologů pochybovala. Elektronový mikroskop mu pomohl odhalit podezřelý mikroorganismus, který byl později pojmenován Brocadia anammoxidans a zařazen ke skupině planktomycet. Pak už následovalo jedno překvapení za druhým. Mikroorganismus obsahoval malé organely plné toxického hydrazinu (zájemci o kosmickou techniku vědí, že se silně toxický hydrazin N₂H₄ používá jako palivo v raketách). Brokadie nesla rysy jak bakteriálního světa, tak světa eukaryot i světa archeí. Analýza DNA ji řadila do světa bakterií, organely do světa eukaryot a nápadný nedostatek polymeru peptidoglykanu v buněčné stěně ji spojoval se světem archeí.

Jak je možné, že silně toxický hydrazin tuto planktomycetu nezabije? Analýza organelové membrány ukázala, že ji tvoří pozoruhodný lipid. Skládá se z prstenců, z nichž každý má 5 uhlíků, a prstence jsou pospojovány v husté „pletivo“ (chemici prominou). K vytvoření membrány je potřeba hodně energie a membrána je nestabilní, nicméně její „oka“ jsou tak hustá, že jimi hydrazin nepronikne. Holandský tým rychle výrobu lipidu patentoval v naději, že neproniknutelná membrána bude mít využití v mikroelektronice.

Najednou i skeptici začali být chytří. I jim začalo docházet, jaký význam má objev pro globální cyklus dusíku. A skutečnost, že se globální cykly dusíku, uhlíku a fosforu ovlivňují navzájem, význam anaerobní oxidace amoniaku ještě zdůraznila. Normální cyklus dusíku je tvořen dvěma komplementárními procesy – vazbou dusíku do organických molekul a uvolňováním dusíku z organických molekul. Bakterie vázající dusík produkují amoniak a organismy konzumují amoniak, který je po jejich zániku opět uvolňován. Další bakterie a archea transformují amoniak na dusitany a dusičnany, jež jsou nakonec opět transformovány na vzdušný dusík, a cyklus je uzavřen. Proces zvaný anammox tvoří v tomto cyklu zkratku.

Biogeochemik M. Kuypers a jeho kolegové našli bakterie podílející se na anaerobní oxidaci amoniaku ve vzorcích z Černého moře, které byly odebrány v hloubkách mezi 85 a 100 metry, kde už není žádný kyslík a amoniak se tam vyskytuje jen ve stopových koncentracích. Odhaduje se, že z anaerobní oxidace může pocházet až 50 % dusíku uvolňovaného z oceánů.

Nejde však jen o věci globální. Ropné rafinérie, výroba minerálních hnojiv a čističky městských odpadních vod produkují ohromná množství vod obsahujících amoniak, který je třeba rozložit. Konvenční metody využívají bakterie, jež nejprve transformují amoniak na dusitany, pak na dusičnany, a nakonec denitrifikující bakterie uvolňují plynný dusík. Bakterie potřebují kyslík. Je nutno nejen provzdušňovat odpadní vody, ale i dodávat denitrifikačním bakteriím zdroj energie, např. etanol. To je nákladné a nepříliš šetrné k životnímu prostředí. Výhody anaerobní oxidace amoniaku jsou víc než zřejmé. Bakterie v tomto procesu používají jako zdroj energie přímo amoniak, nepotřebují kyslík a místo aby oxid uhličitý produkovaly, naopak jej spotřebovávají. (Odhaduje se, že provozní náklady klesnou o 90 %, nároky na prostor o 50 %.)

Zajímavá je ještě další okolnost, pro výzkum charakteristická: Francis Richard z Washingtonovy univerzity v Seattlu si již v šedesátých letech povšiml, že ve vodách anoxického fjordu chybí amoniak. Správně usoudil, že musí existovat anaerobní oxidace amoniaku na dusík. V té době to však oceánografy nijak nevzrušovalo. (Nature 437, 1227–1228, 2005)