Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Mikroorganismen die Stickstoffdüngung im Schwarzen Meer regeln

09.04.2003


Schema der neu entdeckten Stickstoff-Freisetzung im Schwarzen Meer. Die Wassersäule im Schwarzen Meer ist geschichtet: In der oberen sauerstoffreichen Zone (rot) werden die abgestorbenen Algen (Phytoplankton) mit den bekannten Schritten Nitrifikation und anschließender Denitrifikation (brauner Bereich) abgebaut. Dabei wird gasförmiger Stickstoff freigesetzt, der in die Atmosphäre entweicht. In den unteren Zonen sammeln sich die Reste abgestorbener Lebewesen an, die dem oben beschriebenen Abbauweg entkommen sind. In dieser Zone funktionieren Nitrifikation und Denitrifikation nicht, weil der dazu nötige Sauerstoff fehlt. Hier haben sich andere Nahrungsspezialisten, die neu entdeckten Anammox-Bakterien, angesiedelt. Sie ziehen ihre Lebensenergie direkt aus dem Ammonium, das sie mit dem aus den oberen Schichten kommenden Nitrit zu Stickstoff oxidieren. Dieser Stickstoff entweicht wiederum als Gas in die Atmosphäre.

Grafik: Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie


Bremer Max-Planck-Wissenschaftler entdecken bisher unbekannten Abbauprozess von stickstoffhaltigen Nährstoffen im Schwarzen Meer


Bei einer Expeditionsausfahrt mit dem deutschen Forschungsschiff "Meteor" im Schwarzen Meer haben Wissenschaftler vom Bremer Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie zusammen mit niederländischen Kollegen bisher unbekannte Bakterien entdeckt, die die Fähigkeit besitzen, das für das Algenwachstum lebenswichtige Ammonium in atmosphärischen Stickstoff umzuwandeln und damit als Nährstoff unzugänglich zu machen. Dieser neu entdeckte Prozess läuft im Gegensatz zu den bisher bekannten Umsetzungen von Ammonium (NH4) ohne molekularen Sauerstoff ab. Die anaerobe Ammonium-Oxidation wird von den gleichnamigen Anammox-Bakterien geleistet und gilt nun als der wichtigste Abbauprozess für stickstoffhaltige Nährstoffe im Schwarzen Meer. Da die Bedingungen, unter denen diese Bakterien im weitgehend sauerstofffreien Schwarzen Meer leben, im Boden der Ozeane weit verbreitet sind, gehen die Wissenschaftler davon aus, dass diese Bakterien für den globalen Stickstoffkreislauf von wesentlicher Bedeutung sind (nature, 10. April 2003).

Jeder Hobbygärtner kennt das Problem: Ohne Stickstoffdüngung wird es schwierig mit der Blumenpracht. Düngt man zuviel, hat man auch Probleme. Das gilt auch für die "Blumen des Meeres", die Algen. Mikroskopisch kleine Algen (Phytoplankton) spielen für das globale Ökosystem eine wichtige Rolle, da sie mit Hilfe der Photosynthese das klimabeeinflussende Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre entfernen. Zum Wachsen brauchen sie allerdings wie ihre Vettern an Land auch stickstoffhaltige Nährstoffe wie Ammonium. Diese Nährstoffe sind, im Gegensatz zu CO2, nur sehr begrenzt verfügbar. Je höher der Nährstoffgehalt, desto mehr Algen können wachsen und CO2 fixieren.


Der Nährstoffgehalt im Ozean kann so indirekt die Menge an CO2 und damit das Klima beeinflussen. Will man also die heutige Entwicklung des Klimas genauer verstehen, gilt es zunächst den Stickstoffkreislauf im Ozean besser zu begreifen. Der Stickstoffhaushalt wird bestimmt durch die Mengen und die Geschwindigkeiten, mit der Stickstoff in Form von Nitrat, Nitrit, Ammonium und anderen anorganischen Verbindungen gespeichert (fixiert) oder umgekehrt - als Stickstoffgas freigesetzt (Denitrifikation). Bisher glaubte man, von den Faktoren, die den Stickstoffhaushalt im Ozean bestimmen, ein klares Bild zu haben. Die Ergebnisse der Wissenschaftler vom Bremer Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie, der Delft Universität, dem königlich-niederländischem Institut für Meeresforschung (NIOZ) und der Universität Nimwegen stellen dieses Bild jedoch in Frage.

Bisher hielt man die Denitrifikation für den einzig relevanten Prozess, der die stickstoffhaltigen Nährstoffe im Ozean vermindert (s. Abbildung). Im ersten Schritt oxidieren Mikroorganismen das Ammonium mit Sauerstoff über Nitrit zu Nitrat, das dann in der Denitrifikation schließlich als gasförmiger atmosphärischer Stickstoff in die Atmosphäre geht. Durch diesen Abbau von Nährstoffen in Auftriebsgebieten und Sedimenten glaubte man, die Mengen an freigesetztem atmosphärischen Stickstoff zum größten Teil erklären zu können. Doch die jetzt im Schwarzen Meer gefundenen Bakterien sind in der Lage, Ammonium ohne die oben beschriebenen Umwege direkt zu oxidieren.

Bereits vor mehr als dreißig Jahren vermuteten Meeresforscher, dass Ammonium auch unter sauerstofffreien (anoxischen) Bedingungen konsumiert wird. Doch erst vor wenigen Jahren hat man Lebewesen entdeckt, die dieses Kunststück tatsächlich fertig bringen - in Kläranlagen. Diese Anammox-Mikroorganismen werden in Zukunft eine wichtige Rolle beim Betrieb moderner Kläranlagen spielen. Die Betreiber können dann auf den teuren Einsatz von Sauerstoffgas verzichten, denn die genügsamen Bakterien erledigen die notwendige Umsetzung von Ammonium zu Stickstoff mit Nitrat. Dass es aber marine Verwandte dieser Bakterien geben könnte, die sogar unser Klima und das Ökosystem Meer in nachhaltiger Weise beeinflussen, hat niemand geglaubt, da die Kläranlagen-Bakterien nur sehr langsam wachsen und damit im Meer keine tragende Rolle spielen sollten.

Doch die neuen Ergebnisse von der "Meteor"-Fahrt ins Schwarze Meer zeigen eindeutig, dass Anammox-Bakterien auch am Stickstoff-Umsatz entscheidend beteiligt sind. Sie sind die Ursache für die dort stattfindende anaerobe Ammonium-Oxidation, bei der Ammonium eben durch Nitrit und nicht durch Sauerstoff zu Stickstoffgas oxidiert wird, das dann aus dem Ozean in die Atmosphäre entweicht. Dieser Nachweis gelang den Forschern mit vier eindeutigen Befunden:

1. Mit zunehmender Wassertiefe sinkt der Sauerstoffgehalt im Schwarzen Meer, unterhalb von 80 Metern ist kein Sauerstoff mehr nachweisbar. Doch erst ab einer Tiefe von mehr als 100 Metern beginnt der Bereich mit Ammonium. Daher gibt es eine Zone zwischen 80 und 100 Metern, in der es weder Ammonium noch Sauerstoff gibt. Diese Besonderheit ließ Dr. Gaute Lavik, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie in Bremen, vermuten, dass es im zentralen Bereich des Schwarzen Meeres tatsächlich den Anammox-Prozess geben könnte (s. Abbildung).

2. Mit Isotopen-markierten Stickstoffverbindungen konnte Olav Sliekers (Doktorand der Technischen Universität Delft, Niederlande) dann nachweisen, dass in diesem Tiefenbereich Ammonium tatsächlich mittels Nitrit zu elementarem Stickstoff abgebaut wird.

3. Beim Anammox-Prozess entstehen in der Zelle hochreaktive Zwischenverbindungen, vor denen sich die Zelle schützen muss. Die Bakterien verfügen deshalb in ihrem Inneren über ein "Anammoxosom", einen besonders abgeschlossenen Bereich (Zellkompartiment), in dem der Anammox-Prozess abläuft. Das Anammoxosoms enthält spezielle Membranlipide, die von Dr. Marcel Kuypers (ebenfalls wissenschaftlicher Mitarbeiter des Bremer Max-Planck-Instituts) aus dem Meerwasser des Schwarzem Meeres isoliert wurden. Mit dem Nachweis von typischen Zellbestandteilen von Anammox-Bakterien gelang der sichere Beweis für ihre Existenz im Meer.

4. Aus den im Meerwasser lebenden Bakterien konnten die Forscher Erbsubstanz (DNS) isolieren und damit eindeutig beweisen, dass die Organismen nahe Verwandte der erst vor kurzem in Kläranlagen entdeckten Anammox-Bakterien sind. Durch eine spezielle Färbung mit spezifischen Gen-Sonden konnten die Forscher die Bakterien identifizieren.

Zählt man die Anammox-Bakterien in einer Meerwasserprobe, zeigt eine einfache Berechnung, dass es im Schwarzen Meer genügend Anammox-Bakterien gibt, um den beobachteten Ammonium-Abbau zu atmosphärischem Stickstoff zu erklären. Tatsächlich ist Anammox vermutlich der wichtigste Abbauprozess für stickstoffhaltige Nährstoffe im Schwarzen Meer. Da es in den Böden der Weltmeere ähnliche Bedingungen wie im Schwarzen Meeres gibt, liegt die Vermutung nahe, dass Anammox auf globaler Ebene eine bisher ungeahnte, wichtige Bedeutung für den Stickstoffkreislauf und die damit verbundenen Umweltbedingungen hat.

Dr. Manfred Schlösser | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Ammonium Anammox-Bakterien Bakterien CO2 Nitrit Nährstoff Ozean Sauerstoff Stickstoff

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Ökologie Umwelt- Naturschutz:

nachricht Paradiese in Gefahr: Bayreuther Studierende forschen auf den Malediven zu Plastikmüll in den Meeren
13.04.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Ozeanversauerung: Wie individuell sind die Reaktionen?
06.04.2017 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Ökologie Umwelt- Naturschutz >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Im Focus: Tief im Inneren von M87

Die Galaxie M87 enthält ein supermassereiches Schwarzes Loch von sechs Milliarden Sonnenmassen im Zentrum. Ihr leuchtkräftiger Jet dominiert das beobachtete Spektrum über einen Frequenzbereich von 10 Größenordnungen. Aufgrund ihrer Nähe, des ausgeprägten Jets und des sehr massereichen Schwarzen Lochs stellt M87 ein ideales Laboratorium dar, um die Entstehung, Beschleunigung und Bündelung der Materie in relativistischen Jets zu erforschen. Ein Forscherteam unter der Leitung von Silke Britzen vom MPIfR Bonn liefert Hinweise für die Verbindung von Akkretionsscheibe und Jet von M87 durch turbulente Prozesse und damit neue Erkenntnisse für das Problem des Ursprungs von astrophysikalischen Jets.

Supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien sind eines der rätselhaftesten Phänomene in der modernen Astrophysik. Ihr gewaltiger...

Im Focus: Deep inside Galaxy M87

The nearby, giant radio galaxy M87 hosts a supermassive black hole (BH) and is well-known for its bright jet dominating the spectrum over ten orders of magnitude in frequency. Due to its proximity, jet prominence, and the large black hole mass, M87 is the best laboratory for investigating the formation, acceleration, and collimation of relativistic jets. A research team led by Silke Britzen from the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, has found strong indication for turbulent processes connecting the accretion disk and the jet of that galaxy providing insights into the longstanding problem of the origin of astrophysical jets.

Supermassive black holes form some of the most enigmatic phenomena in astrophysics. Their enormous energy output is supposed to be generated by the...

Im Focus: Neu entdeckter Exoplanet könnte bester Kandidat für die Suche nach Leben sein

Supererde in bewohnbarer Zone um aktivitätsschwachen roten Zwergstern gefunden

Ein Exoplanet, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt einen roten Zwergstern umkreist, könnte in naher Zukunft der beste Ort sein, um außerhalb des...

Im Focus: Resistiver Schaltmechanismus aufgeklärt

Sie erlauben energiesparendes Schalten innerhalb von Nanosekunden, und die gespeicherten Informationen bleiben auf Dauer erhalten: ReRAM-Speicher gelten als Hoffnungsträger für die Datenspeicher der Zukunft.

Wie ReRAM-Zellen genau funktionieren, ist jedoch bisher nicht vollständig verstanden. Insbesondere die Details der ablaufenden chemischen Reaktionen geben den...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

Baukultur: Mehr Qualität durch Gestaltungsbeiräte

21.04.2017 | Veranstaltungen

Licht - ein Werkzeug für die Laborbranche

20.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligenter Werkstattwagen unterstützt Mensch in der Produktion

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Forschungszentrum Jülich auf der Hannover Messe 2017

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungsnachrichten