Flüchtiger Stickstoff im Ozean

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entdecken, was den Stickstoffgehalt im Ozean reguliert

Forschende des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie haben während einer Expedition im südpazifischen Ozean zusammen mit Ihren Kolleginnen und Kollegen vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel festgestellt, dass organisches Material aus abgestorbenen und absinkenden Algen den Stickstoffverlust in den Sauerstoffminimumzonen im Meer steuert. Ihre Entdeckung veröffentlichten sie im angesehenen Fachjournal „Nature Geoscience“.

Eine der wichtigsten Aufgaben der modernen Meeresforschung ist eine bessere Vorhersage der Auswirkung der Erderwärmung und anderer menschlicher Einflüsse auf unsere Ozeane. Der Stickstoffkreislauf spielt dabei eine besonders wichtige Rolle, denn Stickstoff ist ein limitierter Nährstoff für alles Leben im Meer. Verschiedene Prozesse binden Stickstoffgas und machen ihn so für die Meeresorganismen verfügbar: Bakterien können Stickstoffgas aus der Atmosphäre aufnehmen und als Ammonium ins Meer einbringen. Aber bioverfügbarer Stickstoff gelangt auch durch Staubeintrag oder über die Flüsse ins Meer. Diese fixierten Stickstoffverbindungen verlassen das Meer aber auch schnell wieder als Stickstoffgas. Dafür sind Milliarden von Meeresmikroorganismen verantwortlich. Insbesondere zwei Prozesse tragen zum Stickstoffschwund bei: Denitrifikation und Anammox (anaerobe Ammoniumoxidation mit Nitrit), beides Stoffwechselwege mariner anaerober Bakterien.

Bis zu 40 Prozent des weltweiten Stickstoffverlusts findet in sogenannten Sauerstoffminimumzonen (SMZ) statt. Dies sind Meeresgebiete mit sehr geringer bis nicht messbarer Sauerstoffkonzentration. „Die östliche tropische SMZ im Südpazifik ist eine der größten SMZ der Welt“, erklärt Tim Kalvelage vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie, Erstautor der Studie. „Unser Ziel war, die Faktoren, die den Stickstoffverlust in dieser SMZ steuern, zu identifizieren und näher zu beschreiben und schließlich mit diesen Ergebnissen die Stickstoffverluste in allen SMZ und sogar den Ozeanen besser vorherzusagen.“

Professor Andreas Oschlies vom GEOMAR in Kiel sagt: “Ich denke, diese Forschung ist wesentlich für die Weiterentwicklung unserer biogeochemischen Modelle, die bisher leider nicht zuverlässig genug den gemessenen Stickstoffverlust darstellen können.“

Eine Reihe von Expeditionen des Gemeinschaftsprojekts Sonderforschungsbereich 754 führte die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zur SMZ im Südpazifik. Vom Forschungsschiff „Meteor“ aus nahmen sie in den Jahren 2008 bis 2009 Proben, die sie in den Laboren des Max-Planck-Instituts in Bremen, des GEOMAR und des Instituts für Allgemeine Mikrobiologie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) analysierten. Die Ergebnisse zeichnen ein umfassendes Bild der Nährstoffverteilung und der Prozesse, die für den Stickstoffverlust in der östlichen tropischen SMZ im Südpazifik verantwortlich sind, aber auch des Vorkommens und der Identität der beteiligten Bakterien. Mithilfe von Modellen errechneten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auch die Menge an Kohlenstoff, die produziert wird und es gelang ihnen mit dieser groß angelegten Studie, die bislang umfassendste Stickstoffbilanz für eine SMZ zu berechnen.

Die Ergebnisse überraschten: „Wir konnten feststellen, dass hauptsächlich der Anammox-Prozess dem Ozean Stickstoff entzieht, und dass die Rate des Stickstoffverlusts mit dem Absinken von organischem Material zusammenhängt“, erklärt Tim Kalvelage. „Das hatten wir nicht erwartet, denn die Anammox-Bakterien nutzen kein organisches Material als Energiequelle, sondern Ammonium und Kohlendioxid.“ Das organische Material, das viel gebundenen Stickstoff enthält, dient vermutlich als Quelle für Ammonium für die Anammox-Reaktion, meinen die Autoren.

Professor Marcel Kuypers fasst zusammen: „Unsere Forschungsarbeit trägt dazu bei, die Auswirkungen der von Menschen verursachten Sauerstoffarmut und der sich ändernden Primärproduktion auf den Stickstoffkreislauf aller anderen SMZ und möglicherweise sogar des gesamten Ozeans besser einschätzen zu können. Davon hängt ab, wie viel Kohlendioxid der Ozean in Zukunft aufnehmen kann.“

Originalpublikation
“Nitrogen cycling driven by organic matter export in the South Pacific oxygen minimum zone”, Tim Kalvelage, Gaute Lavik, Phyllis Lam, Sergio Contreras, Lionel Arteaga, Carolin R. Löscher, Andreas Oschlies, Aurélien Paulmier, Lothar Stramma and Marcel M. M. Kuypers
doi:10.1038/NGEO1739

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Zum Vergrößern anklicken	Bildunterschrift: Die marinen Sauerstoffminimumzonen. Gezeigt wird die Sauerstoffkonzentration in 300 Meter Wassertiefe. Ca. 30- 50% aller Stickstoffverluste laufen ab in nur 0,1% der Weltmeere. (modifiziert nach World Ocean Atlas 2009 (http://www.nodc.noaa.gov). Quelle/Copyright: Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie Foto zum Herunterladen: www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-056-1.jpg
Zum Vergrößern anklicken	Bildunterschrift: Mit dem CTD-Wassersammler konnten die Proben aus verschiedenen Wassertiefen genommen werden. Quelle/Copyright: Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie Foto zum Herunterladen: www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-056-2.jpg
Zum Vergrößern anklicken	Bildunterschrift: Das Forschungsschiff METEOR. Quelle/Copyright: Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie Foto zum Herunterladen: www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-056-3.jpg

Ansprechpartner
Prof. Dr. Marcel Kuypers 0421/2028602 mkuypers@mpi-bremen.de
Dr. Tim Kalvelage 0421/2028646 tkalvela@mpi-bremen.de

Pressebüro
Dr. Rita Dunker, 0421/2028856, rdunker@mpi-bremen.de
Dr. Manfred Schloesser, 0421/2028704, mschloes@mpi-bremen.de

Beteiligte Institute
Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Bremen
GEOMAR Helmholtz Zentrum für Ozeanforschung , Kiel
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, Christian-Albrechts-Universität, Kiel