Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie der Stickstoff aus dem Meer entkommt

03.03.2009
Vorhersagen über die Rolle des Ozeans für das Weltklima sind auf ein tiefgreifendes Verständnis der Stoffkreisläufe im Meer angewiesen. Bei den Stickstoffverlusten lag man bisher falsch. Eine neue Studie deckt nun die komplexen Zusammenhänge in der Sauerstoffminimumzone des tropischen Südostpazifiks auf.

In Folge der globalen Erwärmung dehnen sich Regionen sauerstoffarmen Wassers - so genannte Sauerstoffminimumzonen - in den Weltmeeren immer weiter aus. Das hat weitreichende Auswirkungen auf den Lebensraum Meer und die Fischereiwirtschaft, da höhere Organismen diese Regionen meiden.

Auch die globalen Kreisläufe von Kohlenstoff und Stickstoff sind eng mit Sauerstoffminimumzonen verknüpft. Ein detailliertes Verständnis dieser Kreisläufe ist daher unverzichtbar, um die Auswirkungen des fortschreitenden Klimawandels auf die Weltmeere und mögliche Rückkopplungen vorherzusagen.

Eine im Fachjournal "PNAS" der Amerikanischen Akademie der Wissenschaften erschienene Studie unter der Leitung von Phyllis Lam vom Max-Planck-Insitut für Marine Mikrobiologie in Bremen bringt uns diesem Verständnis einen großen Schritt näher.

Die Forscher beschäftigten sich mit dem Stickstoffkreislauf im tropischen Südostpazifik rund um die peruanische Sauerstoffminimumzone. Diese Region ist eine von drei Meeresregionen, in denen Stickstoff aus dem Meerwasser entweicht. "Lange Zeit wurde dieser Verlust auf Denitrifizierung zurückgeführt. Dabei wird Nitrat in Luftstickstoff umgewandelt, der dann in die Atmosphäre entweichen kann", erklärt Lam. "Dieses Bild wandelt sich allerdings: Scheinbar sind so genannte Anammox-Bakterien für den Großteil des "verlorenen" Stickstoffs verantwortlich. Bisher war jedoch unklar, woher die Anammox-Bakterien die "Rohstoffe" für diese Umwandlung nehmen." Zudem ist im Untersuchungsgebiet keine Denitrifizierung messbar. Das stellt unser Verständnis vom eng verbundenen Kohlenstoffkreislauf in Frage - wenn es nicht die Denitrifizierung ist, welcher Prozess verantworte dann in sauerstoffarmen Wasserkörpern den Abbau organischen Materials?

Lams Erkenntnisse erschüttern bisherige Annahmen über den Stickstoffkreislauf in der peruanischen Sauerstoffminimumzone. Sowohl Experimente als auch molekulare Untersuchungen deuten darauf hin, dass mehrere Prozesse (mit Bezeichnungen, die den Laien durchaus fordern) beteiligt sind: Der Großteil des Stickstoffs geht tatsächlich durch Anammox verloren. Dies ist unmittelbar an die Nitratreduktion und aerobe Ammoniakoxidation (den ersten Schritt der Nitrifizierung) als Quellen des NO2- gekoppelt. Das erforderliche NH4+ wiederum stammt aus der dissimilatorischen Nitratreduktion (DNRA) und Remineralisierung von organischem Material durch Nitratreduktion und vermutlich mikroaerobe Respiration. Die Bedeutung der einzelnen Prozesse variiert zwischen Küstenregionen und dem offenen Ozean ebenso wie in unterschiedlichen Tiefenschichten der Sauerstoffminimumzone. Zudem erstaunten die Forscher die hohen Umsatzraten der DNRA - bisher vermutete man, dass dieser Prozess im offenen Ozean keine Rolle spielt.

Mit ihren Erkenntnissen stürzen die Bremer Forscher die vorherrschende Meinung, dass Nitrat aus der Tiefsee für den gesamten Stickstoffverlust des Ozeans verantwortlich ist. Dessen Anteil betrug ersten Abschätzungen zufolge nur etwa die Hälfte, während die restlichen Verluste aus remineralisiertem Stickstoff - also solchem, der aus organischem Material stammte - erwuchsen.

Bisherige Berechnungen des Stickstoffverlusts, die sich alleine auf Messungen des Nitratdefizits berufen, unterschätzen den tatsächlichen Verlust aus dem Ozean also vermutlich substantiell - gerade wenn die Ergebnisse auf die anderen Sauerstoffminimumzonen der Welt übertragbar sind. "Insbesondere die Rolle des remineralisierten Stickstoffs muss überdacht werden", betont Lam. "Nur so werden verlässliche Vorhersagen über die zukünftige Rolle der Ozeane für das Weltklima möglich."

Hintergrund 1: Der Stickstoffkreislauf im Meer

Alles Leben auf der Erde hängt vom Stickstoff ab, denn er ist unverzichtbar für Zellbestandteile wie Proteine und die DNA. Die Organismen können jedoch nicht alle Verbindungen dieses Elements nutzen. Daher bestimmt im Ozean nur ein Teil der Stickstoffverbindungen die Produktivität des gesamten Ökosystems. Die Umwandlung einer Verbindung in eine andere übernehmen spezialisierte Mikroorganismen.

Im Ozean wird Stickstoff in Form von Ammonium (NH4+) hauptsächlich durch den Abbau organischer Verbindungen frei gesetzt. In einem zentralen Schritt, bekannt als Nitrifizierung, wird Ammonium in Nitrit (NO2-) und dann in Nitrat (NO3-) umgewandelt. Dieser Prozess verbraucht Sauerstoff. Das Nitrat wird anschließend ohne Sauerstoff in mehreren Zwischenschritten in gasförmigen elementaren Stickstoff (Luftstickstoff, N2) umgewandelt. Diese Reaktion nennt sich Denitrifizierung. Alle Umwandlungen werden durch Mikroorganismen vermittelt. Das N2 entweicht als Gas aus dem Meer. Vor ein paar Jahren entdeckten Forscher vom Bremer Max-Planck-Institut den Prozess der anaeroben Oxidation von Ammonium (ANAMMOX) im Meer. Unter sauerstofffreien Bedingungen wandeln Anammox-Bakterien Ammonium direkt mit Nitrit in gasförmigen Stickstoff (N2).

Hintergrund 2: Sazerstoffminimumzonen

Die Sauerstoffminimumzone ist eine Wasserschicht mit sehr geringem Sauerstoffgehalt, üblicherweise in 200 bis 1000 m Wassertiefe. Zwar machen die sauerstoffarmen Wassermassen nur etwa 0,1% des Meeresvolumens aus, dennoch sind sie für 20-40% des Stickstoffverlusts verantwortlich.

Hintergrund 3: Die Methoden

Lam und ihre Kollegen nutzten für ihre Analyse das stabile Isotop des Stickstoffs (15N). Das ermöglicht die detaillierte Untersuchung einzelner Stoffumwandlungen. Zudem analysierten sie die parallele Genexpression der anwesenden Organismen - wenn diese die zellinterne Maschinerie zum Bau der notwendigen Enzyme anwerfen.

Fanni Aspetsberger

Rückfragen an:
Dr. Phyllis Lam Tel. +49 (0)421 2028 644; plam@mpi-bremen.de
oder an die Pressesprecher:
Dr. Manfred Schlösser Tel. +49 (0)421 2028 704; mschloes@mpi-bremen.de
Dr. Fanni Aspetsberger Tel. +49 (0)421 2028 704; faspetsb@mpi-bremen.de
Originalartikel: Revising the Nitrogen Cycle in the Peruvian Oxygen Minimum Zone. Phyllis Lam, Gaute Lavik, Marlene M. Jensen, Jack van de Vossenberg, Markus Schmid, Dagmar Woebken, Dimitri Gutiérrez, Rudolf Amann, Mike S. M. Jetten and Marcel M. M. Kuypers. Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073/pnas.0812444106
Beteiligte Institute:
Max Planck Institute for Marine Microbiology, Celsiusstrasse 1, D-28359 Bremen, Germany.
Microbiology, IWWR, Radboud University Nijmegen, Nijmegen, the Netherlands.
Dirección de Investigaciones Oceanográficas, Instituto del Mar del Perú, Esquina Gamarra y General Valle S/N Chucuito Callao, Peru.

Dr. Fanni Aspetsberger | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpi-bremen.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Aufräumen? Nicht ohne Helfer
19.10.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Einzelne Rezeptoren auf der Arbeit
19.10.2017 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Aufräumen? Nicht ohne Helfer

19.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Biotinte für den Druck gewebeähnlicher Strukturen

19.10.2017 | Materialwissenschaften

Forscher studieren molekulare Konversion auf einer Zeitskala von wenigen Femtosekunden

19.10.2017 | Physik Astronomie