Schleichwege im marinen Stickstoffkreislauf

In der Aprilausgabe der renommierten Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS) beweisen Max-Planck-Forscher aus Bremen zusammen mit ihren Kollegen aus Dänemark und der Schweiz, dass diese ungewöhnliche Zusammenarbeit bei der Umwandlung von Stickstoff in den sauerstoffarmen Schichten des Schwarzen Meeres wunderbar funktioniert (Abbildung 1). Dieser neu entdeckte Prozess setzt zusätzlich Stickstoffgas frei und entzieht damit dem Ökosystem noch mehr des lebenswichtigen Düngers, als bisher angenommen wurde.

Alles Leben auf der Erde hängt vom Stickstoff ab, denn die Zellbestandteile wie Proteine und Nukleinsäuren sind Stickstoffverbindungen. Aber nicht alle Verbindungen dieses Elements können als Baustein genutzt werden, so bestimmt im Ozean nur ein Teil der Stickstoffverbindungen die Produktivität des gesamten Ökosystems. Die Umwandlung einer Verbindung in eine andere übernehmen Spezialisten und für jeden dieser Prozesse gibt es bestimmte Mikroorganismen.
Stickstoff kann dem System als Gasverbindung entzogen werden, denn Gase können nur von wenigen Organismen verarbeitet werden.

Wie Stickstoff in den Kreislauf eingespeist wird...
Im Ozean wird Stickstoff in Form von Ammonium (NH4) hauptsächlich durch den Abbau organischer Verbindungen frei gesetzt. In einem wichtigen Schritt, bekannt als Nitrifizierung, wird Ammonium anschließend in Nitrit (NO2-) und dann in Nitrat (NO3-) umgewandelt. Dieser Prozess verbraucht Sauerstoff und die verantwortlichen Bakterien sind lange bekannt. Vor zwei Jahren entdeckten Forscher, dass unter Laborbedingungen auch so genannte Crenarchaea (keine Bakterien, sondern eine andere Klasse von Mikroorganismen, den Archaea) dazu in der Lage sind. Genanalysen von Umweltproben zeigten, dass dieser Prozess nicht nur unter sterilen Laborbedingungen funktionieren sollte: das für die Nitrifizierung notwendige Gen amoA konnte bei den Umweltstämmen zweifelsfrei identifiziert werden. Crenarchaea machen etwa 30% des Picoplanktons im Ozean aus, und man vermutet deshalb, dass sie für die Nitrifizierung eine bedeutendere Rolle spielen als Bakterien.
In dieser Studie konnten die Forscher erstmals zeigen, dass Crenarchaea aktiv an der Nitrifizierung beteiligt sind. Das dafür notwendige Gen amoA war am aktivsten in den sauerstoffarmen Zonen des Schwarzen Meeres, dort wo auch die höchsten Nitrifizierungsraten gemessen wurden.


... und wieder verschwinden kann.
Vor ein paar Jahren entdeckten Forscher aus dem Max-Planck-Institut Bremen den Prozess der anaeroben Oxidation von Ammonium (ANAMMOX). Unter Sauerstoff freien Bedingungen setzen Anammox-Bakterien Ammonium (NH4) direkt mit Nitrit zu gasformigem Stickstoff um. Dieser Stickstoff steigt als Gas auf und verlässt das System. Bislang war nicht klar, woher das Nitrit kam. In der jetzigen Studie konnte zweifelsfrei mit besonderen Isotopen-Doppel-Markierungen gezeigt werden, dass in der unteren oxischen Zone die Crenarchea das Nitrit liefern. Weiter unten in der suboxischen Zone übernehmen die Bakterien die Produktion von Nitrit, das dann von den Anammox-Bakterien mit Ammonium zu gasförmigem Stickstoff umgewandelt wird.





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