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Anammox-Stickstoff-Isotopeneffekte Das Stickstoff-Puzzle in den Ozeanen

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Ein Wissenschaftlerteam des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie, der Universität Basel und der Radboud Universität Nijmegen hat entscheidende Details eines wichtigen mikrobiellen Prozesses aufgedeckt, indem sie die Anammox-Stickstoff-Isotopeneffekte entschlüsselt haben. Damit leisten sie einen großen Beitrag zum Verständnis der Stickstoffbilanz in den Ozeanen.

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Abb. 1: Schema zu den Stickstoffverlusten und -gewinnen in den Ozeanen
Abb. 1: Schema zu den Stickstoffverlusten und -gewinnen in den Ozeanen
(Bild: MPI Bremen)

Bremen – Jedes Lebewesen braucht Stickstoff zum Leben und Wachsen. Viele Organismen haben jedoch nicht die Fähigkeit, lebensnotwendigen Stickstoff direkt aus dem molekularen Stickstoff zu nutzen, der als gasförmiges N2 in der Atmosphäre vorkommt. Sie haben in ihren Zellen nicht die entsprechenden Werkzeuge zur Stickstoff-Fixierung und sind deshalb auf Stickstoffverbindungen wie Ammonium, Nitrit und Nitrat angewiesen, die von den sogenannten Stickstoff-fixierenden Organismen bereitgestellt werden. In der Natur reguliert daher die biologische Verfügbarkeit von fixiertem Stickstoff häufig die Primärproduktion. Deshalb sind Düngemittel oft reich an Stickstoffverbindungen.

Es gibt in der Umwelt eine Reihe anderer mikrobieller Prozesse, die fixierten Stickstoff zur Energiegewinnung nutzen und wieder zu gasförmigem molekularen Stickstoff (N2) umwandeln. Wissenschaftler sprechen hier von einem Verlust an fixiertem Stickstoff, weil dabei der jeweilige Lebensraum wichtige Stickstoffverbindungen verliert und so die Primärproduktion eingeschränkt wird.

Anammox – anaerobe Oxidation von Ammonium zu molekularem Stickstoff

Die Prozesse, die zum Stickstoffverlust führen, laufen in verschiedenen Mikroorganismen ab, manche reduzieren Nitrat und Nitrit, manche oxidieren Ammonium. Andere Bakterien nutzen Nitrit und Ammonium, um daraus molekularen Stickstoff zu bilden: Diese anaerobe Oxidation von Ammonium ist unter dem Begriff Anammox bekannt.

Stickstoffverluste sind besonders stark in den Meeresgebieten ausgeprägt, in denen der im Wasser gelöste Sauerstoff fast komplett verbraucht wurde. Diese Zonen werden als Oxygen Minimum Zones (OMZ) bezeichnet. Wissenschaftliche Studien lassen befürchten, dass sich diese OMZ aufgrund des Klimawandels weiter ausbreiten werden. Das könnte zu weitreichenden Konsequenzen bei den Stickstoffverlusten und damit bei der Primärproduktion in den Ozeanen führen. Deshalb ist es wichtig zu wissen, welcher mikrobielle Prozess wie stark zu den gesamten Stickstoffverlusten beiträgt und wo dieser innerhalb der OMZ lokalisiert ist.

Anammox-Stickstoff-Isotopeneffekte – das fehlende Teil zum Stickstoff-Puzzle

Prof. Dr. Benjamin Brunner, einer der Autoren, erklärt: „Diese Frage können wir mit Hilfe der stabilen Stickstoffisotopen beantworten, indem wir die Mengenverhältnisse von 15N und 14N in den verschiedenen Reservoirs an fixiertem Stickstoff und im flüchtigen N2 bestimmten, denn die verschiedenen mikrobiellen Prozesse hinterlassen verschiedene Isotopenmuster. Manche dieser Reaktionen bevorzugen das leichtere 14N vor dem schwereren 15N, andere Prozesse ziehen das schwerere Isotop vor, Wissenschaftler bezeichnen diese Vorgänge als Isotopeneffekte.“

Dr. Sergio Contreras, ein Paleo-Biogeochemiker, der an der Vergangenheit und Zukunft des Stickstoffkreislaufes interessiert ist, ergänzt: „Um die Stickstoff-Isotopenmuster in der Umwelt entschlüsseln zu können, muss man für alle Prozesse im Stickstoffkreislauf deren jeweilige Isotopeneffekte kennen.“ Prof. Dr. Moritz Lehmann, Isotopen-Biogeochemiker an der Universität Basel, sagt: „Genau hier lag das Problem: Die Isotopeneffekte eines Prozesses der mitverantwortlich für den Verlust an fixiertem Stickstoff ist - nämlich Anammox - waren bisher unbekannt. Es ist deshalb möglich, dass frühere wissenschaftliche Untersuchungen zu globalen Stickstoffverlusten falsch gewichtet und interpretiert wurden.“

Dr. Boran Kartal, Mikrobiologe an der Radboud University Nijmegen erklärt: „Wir verwendeten für unsere Versuche hochangereicherte Anammox-Zellkulturen in unserem Labor, um deren Isotopeneffekte zu bestimmen. Unsere Ergebnisse belegen, dass die von Anammox verursachten Isotopeneffekte die Isotopenmuster in den OMZ, die sehr wichtig für die Primärproduktion sind, erklären können.“ Prof. Dr. Marcel Kuypers, Direktor am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, fasst zusammen: „Diese fehlende Information ist von größter Bedeutung zur Lösung des Stickstoff-Isotopen-Puzzles. Nicht nur, weil Anammox ein wesentlicher Prozess in den OMZ ist, sondern auch, weil Anammox die Isotopenzusammensetzung aller Stickstoff-Reservoirs beeinflusst: Es setzt Ammonium und Nitrit zu gasförmigem Stickstoff N2 und Nitrat um.“

Dank gemeinsamer Forschung gelang es den Wissenschaftlern, das komplizierte Isotopenmuster des Anammox-Prozesses zu entschlüsseln.

Originalpublikation: Nitrogen isotope effects induced by anammox bacteria. B. Brunner, S. Contreras, M.F. Lehmann, O. Matantseva, M. Rollog, T. Kalvelage, G. Klockgether, G. Lavik, M.S.M. Jetten, B. Kartal and M.M.M. Kuypers (2013) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, doi 10.1073/pnas.1310488110

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