Katharina Kitzinger erhält den BRIESE-Preis für Meeresforschung 2019

„Mich hat schon immer fasziniert, dass Mikroorganismen, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind, einen so großen Einfluss auf unseren Planeten haben. Deshalb bin ich sehr glücklich, dass ich im Rahmen meiner Forschungsarbeit dazu beitragen konnte, diese mikrobielle Welt etwas besser zu verstehen“, freut sich die BRIESE-Preisträgerin Katharina Kitzinger vom Bremer Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie. „Für eine ‚Landratte‘ aus der Alpenrepublik Österreich wie mich war es außerdem eine spannende Erfahrung, meine Laborarbeiten mit Freilandforschung direkt auf dem Meer zu verbinden. Deshalb freue ich mich besonders über die Auszeichnung mit dem BRIESE-Preis, der speziell die Arbeit auf See würdigt“, so Kitzinger.

Der Stickstoff-Kreislauf im Meer ist einer der wichtigsten globalen biogeochemischen Stoffkreisläufe, da das Element Stickstoff als Bestandteil von Proteinen und vielen anderen Naturstoffen für alle Lebewesen essenziell ist. In küstennahen Gewässern spielt dieser Kreislauf eine große Rolle beim Abbau überschüssiger Nährstoffe, die aus den Flüssen ins Meer gelangen und dort zu Überdüngung führen können. Trotz intensiver Erforschung gibt es beim Verständnis des Stickstoff-Recyclings immer noch erstaunlich viele offene Fragen. Gleich zwei davon, die Fachleute lange sogar als regelrechte Rätsel bezeichnet haben, hat die heute ausgezeichnete Katharina Kitzinger nun beantworten können.

Konkret geht es in Kitzingers Forschung um die sogenannte Nitrifikation. Als wichtiger Teil des Stickstoff-Kreislaufs wird hierbei zuerst Ammoniak, das bei Zersetzung abgestorbener Biomasse entsteht, in Nitrit und dieses dann in Nitrat umgewandelt. Im Meer findet man nur sehr wenig Nitrit während der Großteil des verfügbaren Stickstoffs – fast 90 Prozent – als Nitrat vorliegt, dem Endprodukt der Nitrifikation. Dies ist insofern bemerkenswert, weil die Mikroorganismen, die den ersten Schritt ausführen – Ammoniak oxidierende Archaea – zu den häufigsten Organismen auf unserem Planeten zählen. Im Gegensatz dazu sind Nitrospinae, die wichtigsten Nitrit-oxidierenden Bakterien, die Nitrit zu Nitrat umsetzen, im Schnitt 10 Mal seltener als die Archaea. Warum gibt es im Meer also nicht viel mehr Nitrit, für dessen Erzeugung mikrobielle „Heerscharen“ bereitstehen, und so viel Nitrat, das von einer vergleichsweise sehr kleinen Truppe erzeugt wird? (Rätsel Nr.1) Und wieso können überhaupt so viele Ammoniak-Oxidierer existieren, wenn ihre „Nahrung“, das Ammonium, in den meisten ozeanischen Regionen kaum nachweisbar ist? (Rätsel Nr. 2)

Katharina Kitzinger ging diesen Fragen auf den Grund, indem sie die Hauptakteure – von der einzelnen Zelle bis hin zur gesamten mikrobiellen Lebensgemeinschaft – intensiv mit unterschiedlichsten Methoden und auf verschiedenen Prozess-Ebenen untersuchte. So erfasste sie nicht nur, wie sonst meist üblich, die Häufigkeit dieser Mikroorganismen, sondern auch ihre Aktivität, ihre Wachstumsraten und die Besonderheiten ihres Stoffwechsels. Ein wichtiger Schlüssel zur Lösung der beiden „Meeresrätsel“ war eine 10-tägige Forschungsfahrt an Bord des amerikanischen Forschungsschiffes „Pelican“ im Golf von Mexiko, wo sie nicht nur Proben der natürlichen Lebensgemeinschaften für spätere Analysen nahm, sondern auch direkt an Bord unter möglichst natürlichen Bedingungen Inkubationen mit stabilen Isotopen durchführte.

Als Erklärung für Rätsel Nr. 1 – die eklatant unterschiedlichen Häufigkeiten von Ammoniak- und Nitrit-Oxidierern – fand Kitzinger heraus, dass für die Nitrit-Oxidierer Nitrospinae offenbar das Motto „live fast, die young“ gilt: „Sie sind deutlich aktiver und wachsen fünfmal schneller als die Ammoniak-oxidierenden Archaea, weshalb ihre Umwandlung von Nitrit in Nitrat so effizient ist. Dass die Nitrospinae nicht, wie man erwarten würde, deswegen auch deutlich häufiger sind, liegt höchstwahrscheinlich an ihrer hohen Sterberate“, sagt die Mikrobiologin. Und fügt an: „Damit lässt sich erklären, warum beim marinen Nitrifikationsprozess Nitrit fast ebenso schnell in Nitrat umgewandelt wird, wie es entsteht – trotz der unausgeglichenen Häufigkeit der Hauptakteure. Die bislang in der Wissenschaft gängige Vermutung, dass für die ausgeglichene Geschwindigkeit der beiden Prozesse eigentlich noch andere, sehr häufige aber unbekannte Nitrit-Oxidierer ‚mitmischen‘ müssten, ist damit wahrscheinlich vom Tisch.“