This thesis describes the novel process of anaerobic oxidation of nitrite to nitrate performed by phototrophic bacteria and its qualitative and, in parts, its quantitative distribution in the environment. Bicarbonate-buffered enrichment cultures which had 1 mM nitrite as sole electron donor, were obtaioned from many freshwater and some saltwater sites. In these cultures, nitrite was almost stoichiometrically oxidized to nitrate with concomitant increase in optical density in the light. Quantitative measurements of three sampling sites via the MPN-method revealed cell densities of 104 cells per ml in activated sewage sludge whereas sediments of Lake Constance and sediments of the slightly acidic lake Dingelsdorfer Ried contained substantially less cells per ml. Also in nitrite oxidation, enrichment cultures from activated sewage sludge were the most active ones, from which two morphological different bacterial strains could be isolated: strain KS1 and strain LQ17.

Both strains oxidized nitrite to nitrate anaerobically in the light with concomitant biomass formation. Without light, no growth or nitrite oxidation was detectable.
While strain LQ17 oxidized 1 mM nitrite incompletely to 0.6 mM nitrate within three months, strain KS1 oxidized nitrite stoichiometrically to nitrate within few days. If these strains were fed with nitrite at concentrations higher than 1.5 mM, the lag phase increased and growth was slowed down, and at concentrations above 4 mM no nitrite oxidation was observed and the OD of the cultured decreased permanently. Cultivation of strain KS1 in molybdenum-free medium with nitrite as sole electron donor revealed no nitrite oxidation or growth unless molybdenum (300 nM) was added. With organic electron donors in darkness, no anaerobic growth was observed with both strains, neither with nitrate nor with sulfate as alternative electron acceptor, whereas both strains were able to utilize organic substrates under air. When grown phototrophically, both strains utilized many organic and some inorganic substrates, and further physiological experiments such as, e.g., utilized nitrogen or sulfur sources or the in-vivo absorption spectra together with 16S rRNA gene analyses allowed to assign strain LQ17 to the genus Rhodopseudomonas and of strain KS1 to the genus Thiocapsa. Of already isolated strains, the two Thiocapsa roseopersicina strains DSM221 and DSM217 were also able to oxidize nitrite stoichiometrically to nitrate.

When grown with nitrite as sole electron donor, cell-free extracts of strain KS1 exhibited no nitrite oxidase but a specific nitrate reductase activity of more than 1 U per mg protein. Comparison with cell-free extracts of strain KS1 grown with fructose as e-donor and nitrate as N-source exhibited only few mU per mg protein. Subsequent SDS-PAGE analysis revealed two protein bands of 130-150 kDa and 55-60 kDa, which were strongly expressed specifically after growth with nitrite, and resembled the α- and β-subunit of the membrane-bound nitrate reductase.

Die vorliegende Arbeit ist eine erste Beschreibung der anaeroben Oxidation von Nitrit zu Nitrat durch phototrophe Bakterien und deren qualitativem und teilweise quantitativem Vorkommen im Süß- und Salzwasser. Aus zahlreichen Süß- und einigen Salzwasserstandorten konnten in Hydrogencarbonat-gepuffertem Minimalmedium mit 1 mM Nitrit als einziger Elektronendonorquelle Nitrit-oxidierende Anreicherungskulturen kultiviert werden, die annähernd stöchiometrisch im Licht Nitrit zu Nitrat bei gleichzeitiger Zunahme der optischen Dichte oxidierten. In quantitativen Zellzahlmessungen durch die MPN-Methode drei Standorte konnten im Belebtschlamm der Konstanzer Kläranlage 104 Zellen pro ml bestimmt werden, wohingegen die beiden litoralen Seestandorte Bodenseesediment und Dingelsdorfer Ried deutlich geringere Zelldichten Nitrit-oxidierender phototropher Zellen aufwiesen. Aus der auch vom Nitritumsatz her aktivsten Anreicherungskultur der Konstanzer Kläranlage wurden zwei morphologisch verschiedene Bakterienstämme isoliert: Stamm KS1 und Stamm LQ17.

An beiden Stämmen konnte gezeigt werden, das Nitrit unter anoxischen Bedingungen bei gleichzeitiger Zunahme der OD nur im Licht zu Nitrat oxidiert wurde. Ohne Licht oder ohne Nitrit war kein Wachstum oder Nitritumsatz messbar. Während Stamm LQ17 1 mM Nitrit innerhalb von 3 Monaten unvollständig zu bis zu 0,6 mM Nitrat umwandelte, oxidierte Stamm KS1 1 mM Nitrit stöchiometrisch zu 1 mM Nitrat innerhalb von wenigen Tagen. Konzentrationen von mehr als 1,5 mM Nitrit erhöhten die Lag-Phase in Zellkulturen von KS1 und verlangsamten das Wachstum, und bei Konzentrationen von mehr als 4 mM Nitrit sank die OD der betroffenen Kultur dauerhaft, ohne weiteres Wachstum zu zeigen. In Molybdän-freiem Medium konnte kein Wachstum oder Umsatz von Nitrit durch Stamm KS1 beobachtet werden. Erst die Zugabe von Molybdän (300 nM) stellte das Wachstum wieder her. Anaerobes Wachstum in Dunkelheit konnte bei keinem Stamm festgestellt werden, auch nicht mit Nitrat oder Sulfat als Elektronenakzeptor. Unter oxischen Bedingungen von 21% O2 konnten beide Stämme organische Substrate veratmen. Bei phototropher Lebensweise wurde von beiden Stämmen eine Vielzahl von organischen und einige anorganische Verbindungen als Elektronendonor genutzt. Weitere physiologische Untersuchungen, wie nutzbare Stickstoff- oder Schwefelquellen oder das in-vivo Absorptionsspektren sowie die taxonomische Ähnlichkeiten des 16S rRNA Gens erlaubten eine Zuordnung von Stamm LQ17 zur Gattung Rhodopseudomonas und von Stamm KS1 zur Gattung Thiocapsa. Auch zwei weitere Thiocapsa roseopersicina Stämme, DSM221 und DSM217, konnten phototroph Nitrit stöchiometrisch zu Nitrat oxidieren.

Zellaufschlüsse von KS1 Kulturen, die mit Nitrit als einzigem Elektronendonor kultiviert wurden, zeigten in Enzymtests mit reduziertem Methyviologen als künstlichem Elekktronendonor und Nitrat oder Chlorat als Elektronenakzeptor vor allem in der Membranfraktion eine spezifische Nitratreduktaseaktivität von über 1 U pro mg Protein, die im Vergleich zu KS1 Kulturen, die mit Fructose als Elektronendonor und Nitrat als Stickstoffquelle inkubiert wurden, nur einige milliunits pro mg Protein erreichte. Nitrit oxidierende Enzymaktivitäten konnten nicht nachgewiesen werden. In anschließenden SDS-PAGE Analysen der Zellfraktionen konnten 2 starke Proteinbanden der Größen 55-60 kDa und 130-150 kDa ausgemacht werden, die parallel mit einer hohen Nitratreduktaseaktivität einhergingen und eine vergleichbare Größe zu α- und β-Untereinheiten membranständiger Nitratreduktasen hatten.