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15.01.07 Stickstoff fixierende Mikroorganismen im Meer

Stickstoff-Fixierung durch marine Lebewesen

Grosser Beitrag der ganz Kleinen

Stickstoff fixierende Mikroorganismen versorgen das Meer mit biologisch verfügbarem Stickstoff und sind damit nicht nur ein wichtiges Mosaiksteinchen im globalen Stickstoffkreislauf, sondern auch von grosser Wichtigkeit für den gesamten Kohlenstoffkreislauf. Denn dieser ist eng an denjenigen des Stickstoffs gebunden.

Peter Rüegg (ETHZ)

Abb. 1: Das Cyanobakterium Trichodesmium ist einer der wichtigsten Stickstoff-Fixierer der Weltmeere
Quelle: B. Bergman / Universitaet Stockholm

Ohne Stickstoff geht im Meer nicht viel. Oder anders gesagt: Wie produktiv ein Ozean ist, hängt stark davon ab, wie viel biologisch verfügbarer Stickstoff, wie zum Beispiel Nitrat, für grüne Pflanzen im Oberflächenwasser vorhanden ist. Bisher ist die Forschung davon ausgegangen, dass vor allem Wasser, das aus den Tiefen des Meeres an die Oberfläche steigt, den Dünger Nitrat mit sich führt, den Lebewesen verwerten und den darin enthaltenen Stickstoff in wichtige Bausteine wie Aminosäuren oder die DNS einbauen können. Stirbt das Lebewesen, sinkt dessen Biomasse in die Tiefe. Dort wird der Stickstoff über zahlreiche Abbauprozesse zu Nitrat umgebaut und eines Tages mit einer aufsteigenden Strömung wieder nach oben transportiert.

Vereinfachtes Bild ist veraltet

In einer neuen Studie, die in „Nature“ erschien, zeigen Forscher - unter ihnen ETH-Professor Nicolas Gruber vom Institut für Biogeochemie und Schadstoffdynamik - auf, dass dieses vereinfachte Bild überholt werden muss. Marine Mikroorganismen bringen wesentliche Mengen von biologisch verfügbarem Stickstoff in den Ozean ein. Diese Mikroorganismem, wie zum Beispiel das Cyanobakterium Trichodesmium, fixieren elementaren Stickstoff (N2), der im Wasser gelöst ist, und wandeln diesen in Nitrat um. Das düngt das Oberflächenwasser und erhöht die Produktivität der Ozeane. Davon profitiert die ganze Nahrungskette und es beeinflusst nicht zuletzt das Klima. Denn ein produktives Meer bindet mehr Kohlenstoff und senkt dadurch die Konzentration des Treibhausgases Kohlendioxid in der Atmosphäre.

Erste globale Betrachtung

Die Stickstoff fixierenden Mikroorganismen, so zeigen die Forscher in der Studie, kommen vor allem in den warmen Meeren der Subtropen und Tropen vor, etwa in weiten Teilen des Pazifiks, der Arabischen See oder vor der Westküste Afrikas. Diese erste globale Beschreibung der marinen Verteilung der Stickstoff-Fixierung wurde möglich, indem die Forscher Erkenntnisse auf der Basis von Nährstoffdaten mit Modellsimulationen kombiniert haben.

Den Wissenschaftlern ist auch aufgefallen, dass sich Regionen mit hoher Stickstoff-Fixierung an der Meeresoberfläche decken mit Regionen in der Tiefe des Meeres, wo unter sauerstoffarmen Bedingungen der organische zu elementarem Stickstoff abgebaut wird. Dieser mikrobielle Denitrifikationsprozess entzieht demnach dem Meer den biologisch verfügbaren Stickstoff, da marine Algen mit Ausnahme der Stickstoff-Fixierer elementaren Stickstoff nicht verwerten können.

Denitrifikation und Stickstoff-Fixierung gekoppelt

Das Gleichgewicht zwischen dem Stickstoffeintrag durch die Fixierer und dem Verlust durch die Denitrifizierer im Ozean ist deshalb von grosser Bedeutung für den marinen Stickstoffkreislauf und die Produktivität der Ozeane. „Wäre die Denitrifikation stark, und die Fixierung schwach, würden Ozeane Stickstoff verlieren und ihre Produktivität würde sinken“, sagt Gruber.

Die nahe räumliche Assoziation der beiden Prozesse scheint aber gegen solche Ungleichgewichte zu sprechen. Durch die Denitrifikation verliert das Wasser Nitrat, steigt an die mit Licht durchflutete Oberfläche, wo die Cyanobakterien leben und den Stickstoff wieder fixieren. Sie geben damit dem Meer den verloren gegangenen Stickstoff relativ schnell wieder zurück. Diese starke Kopplung zwischen den beiden Prozessen stabilisiert den marinen Stickstoffkreislauf und damit auch die biologische Produktivität.

Atlantik weniger produktiv als Pazifik

Dass Cyanobakterien bei der Versorgung der Meere mit biologisch verfügbarem Stickstoff einen derart wichtigen Beitrag leisten können, ist erst seit kurzem bekannt.  Frühere Schätzungen gingen von einem zehnfach geringeren Anteil aus. Die Forscher seien überrascht gewesen, dass die Stickstoff-Fixierung besonders im Pazifik eine derart grosse Rolle spiele, betont Gruber. Im Pazifik zum Beispiel fixieren die Mikroorganismen rund zweimal mehr Stickstoff als im Atlantik.

Die neue Studie zeigt auch auf, dass Eisen weniger Einfluss hat als angenommen, obwohl Stickstoff-Fixierer viel Eisen brauchen. Dieses Element gelangt etwa aufgrund von Sandstürmen in die Meere. Das Metall ist im Meerwasser sehr selten, und im Pazifik, wo die Stickstoff fixierenden Mikroorganismen besonders aktiv sind, kaum vorhanden. „Das verfügbare Phosphat und dessen relative Konzentration zu Nitrat ist dagegen viel wichtiger“, sagt der ETH-Professor. Wo viel Phosphat und wenig Nitrat vorhanden ist, finden die Stickstoff-Fixierer ihre optimale ökologische Nische. Phosphat ist ebenfalls wie Stickstoff ein Mangelelement und ist für das Pflanzenwachstum wichtig.

Rückkoppelung möglich

Diese Ergebnisse haben Konsequenzen für das Weltklima, denn der marine Stickstoff- und der Kohlenstoffkreislauf sind eng gekoppelt. Mangelt es im Meer an Stickstoff, dann ist die Produktivität kleiner und es ist weniger Kohlenstoff im Meer gebunden. Durch eine hohe biologische Aktivität im Wasser aber wird mehr Biomasse gebildet und damit der Atmosphäre Kohlenstoff entzogen. Dieser sinkt schliesslich in Form von Ausscheidungen oder toten Tieren und Pflanzen in die Tiefe des Ozeans, wo er langsam wieder zu CO2 abgebaut wird, aber für lange Zeit der Atmosphäre entzogen bleibt. Die Erwärmung der Meere als Folge der zunehmenden CO2-Konzentration in der Atmosphäre könnte aber die Produktivität herabsetzen,. „Dadurch könnte es zu einem positiven Rückkopplungseffekt für das atmosphärische CO2 kommen“, befürchtet Gruber.

Quellen:

ETH Life

Spatial coupling of nitrogen inputs and losses in the ocean
C. Deutsch, et al, Nature 2007, 446, 11 January

A bigger nitrogen fix
N. Gruber, Nature 2005, 436, 786-787

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Stickstoff fixierende Mikroorganismen im Meer
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2007jan/stickstoff-fixierung.shtm)

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