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News: Stickstoff ohne Sauerstoff

Pflanzen, und damit auch die Algen des Meeres, nehmen Stickstoff in Form von Ammonium auf. Doch manche Bakterien entziehen ihnen diese lebenswichtige Nährstoffquelle - und das auch ohne molekularen Sauerstoff.
AnammoxLaden...
Jeder Hobbygärtner kennt das Problem: Ohne Stickstoffdüngung wird es schwierig mit der Blumenpracht. Düngt man zuviel, hat man auch Probleme. Das gilt auch für die "Blumen des Meeres", die Algen. Das mikroskopisch kleine Phytoplankton spielt für das globale Ökosystem eine wichtige Rolle, da sie mit Hilfe der Photosynthese das klimabeeinflussende Treibhausgas Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernen. Zum Wachsen brauchen sie allerdings wie ihre Vettern an Land auch stickstoffhaltige Nährstoffe wie Ammonium. Diese Nährstoffe sind, im Gegensatz zu CO2, nur sehr begrenzt verfügbar. Je höher der Nährstoffgehalt, desto mehr Algen können wachsen und CO2 fixieren.

Der Nährstoffgehalt im Ozean kann so indirekt die Menge an CO2 und damit das Klima beeinflussen. Will man also die heutige Entwicklung des Klimas genauer verstehen, gilt es zunächst den Stickstoffkreislauf im Ozean besser zu begreifen. Der Stickstoffhaushalt wird bestimmt durch die Mengen und die Geschwindigkeiten, mit der Stickstoff in Form von Nitrat, Nitrit, Ammonium und anderen anorganischen Verbindungen gespeichert oder umgekehrt – als Stickstoffgas freigesetzt wird.

Bisher hielt man die Denitrifikation für den einzig relevanten Prozess, der die stickstoffhaltigen Nährstoffe im Ozean vermindert. Im ersten Schritt oxidieren dabei Mikroorganismen das Ammonium mit Sauerstoff über Nitrit zu Nitrat, das dann in der Denitrifikation schließlich als gasförmiger atmosphärischer Stickstoff in die Atmosphäre geht.

Bereits vor mehr als dreißig Jahren vermuteten Meeresforscher, dass Ammonium auch unter sauerstofffreien Bedingungen konsumiert wird. Doch erst vor wenigen Jahren entdeckten Wissenschaftler Lebewesen, die dieses Kunststück tatsächlich fertig bringen – in Kläranlagen. Dass es aber marine Verwandte dieser Anammox-Bakterien geben könnte, die sogar unser Klima und das Ökosystem Meer in nachhaltiger Weise beeinflussen, hat niemand geglaubt, da die Kläranlagen-Bakterien nur sehr langsam wachsen und damit im Meer keine tragende Rolle spielen sollten.

Doch bei einer Expeditionsausfahrt mit dem deutschen Forschungsschiff Meteor im Schwarzen Meer haben Wissenschaftler vom Bremer Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie zusammen mit niederländischen Kollegen bisher unbekannte Bakterien entdeckt, die genau diese Fähigkeit besitzen. Die Anammox-Bakterien sind die Ursache für die dort stattfindende anaerobe Ammonium-Oxidation, bei der Ammonium eben durch Nitrit und nicht durch Sauerstoff zu Stickstoffgas oxidiert wird, das dann aus dem Ozean in die Atmosphäre entweicht.

Wie Marcel Kuypers und seine Kollegen gemessen haben, sinkt mit zunehmender Wassertiefe der Sauerstoffgehalt im Schwarzen Meer; unterhalb von 80 Metern ist kein Sauerstoff mehr nachweisbar. Doch erst ab einer Tiefe von mehr als 100 Metern beginnt der Bereich mit Ammonium. Daher gibt es eine Zone zwischen 80 und 100 Metern, in der es weder Ammonium noch Sauerstoff gibt. Diese Besonderheit ließ die Meeresforscher vermuten, dass es im zentralen Bereich des Schwarzen Meeres tatsächlich den Anammox-Prozess geben könnte.

Mit Isotopen-markierten Stickstoffverbindungen konnten sie dann nachweisen, dass in diesem Tiefenbereich Ammonium tatsächlich mittels Nitrit zu elementarem Stickstoff abgebaut wird.

Beim Anammox-Prozess entstehen in der Zelle hochreaktive Zwischenverbindungen, vor denen sich die Zelle schützen muss. Die Bakterien verfügen deshalb in ihrem Inneren über ein "Anammoxosom", einen besonders abgeschlossenen Bereich, in dem der Anammox-Prozess abläuft. Das Anammoxosoms enthält spezielle Membranlipide, welche Kuypers aus dem Meerwasser des Schwarzem Meeres isolieren konnte. Mit dem Nachweis von typischen Zellbestandteilen von Anammox-Bakterien gelang der sichere Beweis für ihre Existenz im Meer.

Aus den im Meerwasser lebenden Bakterien isolierten die Forscher Erbsubstanz und konnten damit eindeutig beweisen, dass die Organismen nahe Verwandte der erst vor kurzem in Kläranlagen entdeckten Anammox-Bakterien sind. Durch eine spezielle Färbung mit spezifischen Gen-Sonden gelang die Identifizierung der Bakterien.

Zählt man die Anammox-Bakterien in einer Meerwasserprobe, zeigt eine einfache Berechnung, dass es im Schwarzen Meer genügend Anammox-Bakterien gibt, um den beobachteten Ammonium-Abbau zu atmosphärischem Stickstoff zu erklären. Tatsächlich ist Anammox vermutlich der wichtigste Abbauprozess für stickstoffhaltige Nährstoffe im Schwarzen Meer. Da es in den Böden der Weltmeere ähnliche Bedingungen wie im Schwarzen Meeres gibt, liegt die Vermutung nahe, dass Anammox auf globaler Ebene eine bisher ungeahnte, wichtige Bedeutung für den Stickstoffkreislauf und die damit verbundenen Umweltbedingungen hat.

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