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Stickstoffverluste vor der Kueste von Oman

02.08.2011
Bedeutende Stickstoffverluste vor der Küste von Oman werden durch die Kopplung zweier bakterieller Prozesse verursacht.

Stickstoff, Bestandteil von Proteinen und DNA, ist ein essentieller Nährstoff und häufig limitierender Faktor allen Lebens auf unserem Planeten. Im Meer regulieren mikrobielle Prozesse die Konzentrationen und Flüsse von biologisch verwertbaren Stickstoffverbindungen wie z. B. Ammonium, Nitrat und Nitrit, die für die marinen Lebewesen verfügbar sein müssen. Die größte Senke und damit der Entzug von Stickstoff aus dem marinen Nahrungsnetz, ist die Entweichung von Stickstoffgas (N2) in die Atmosphäre.


Das Arabische Meer ist ein Teil des Indischen Ozeans und grenzt an de Länder Indien, Pakistan, Oman und Somalia.
Manfred Schlösser, Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie


Stickstoffverluste durch Kopplung zweier Reaktionswege. Im Arabischen Meer vor der Küste Omans liefert die dissimilatorische Nitritreduktion DNRA (blau) das Ammonium für die Anammox-Reaktion (gelb), so wird das N2 gebildet, welches aus dem Meer entweichen kann. Nitratreduktion und Nitrifikation als Quellen von Nitrit und Ammonium finden ebenfalls statt. Auf der anderen Seite wurden nur wenige Indizin für aktive Denitrifikation gefunden (rot gestrichelter Reaktionsweg)
modifiziert nach Lam et al., PNAS, 106:4752-4757

Die treibenden Kräfte, welche dieses System im Gleichgewicht halten, sind jedoch komplizierter als gedacht. Jetzt haben Wissenschaftler vom Bremer Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie und ihre Kollegen sich die mikrobiellen Prozesse im Arabischen Meer genauer angeschaut und ihre Ergebnisse in zwei wissenschaftlichen Artikeln publiziert.

Das Nahrungsgefüge im Meer speichert große Mengen von organisch gebundenem Kohlenstoff. Der Kohlenstoffkreislauf wiederum steht sowohl mit dem Gehalt an gelösten Sauerstoff als auch mit dem Stickstoffkreislauf in Wechselwirkung. Die globale Erwärmung führt dazu, dass sich weniger Sauerstoff in den Weltmeeren löst. Zusätzlich erhöht der Eintrag von organischen Verbindungen mit den Abwassern der Zivilisation die Zehrung des Sauerstoffs. Infolgedessen dehnten sich in den letzten Jahrzehnten die Sauerstoff-Minimum-Zonen (SMZ), die früher weniger als 1% des Ozeanvolumens ausmachten, weiter aus, so dass dort nun 30-50% der weltweiten Stickstoffverluste stattfinden. Man kann daher davon ausgehen, dass sich die Stickstoffverluste weiter erhöhen.

Das Untersuchungsgebiet der Forscher, das Arabische Meer, beheimatet eine der drei größten Sauerstoff-Minimum-Zonen, und man schätzt, dass 10- 20% aller weltweiten Stickstoff-Verluste dort stattfinden. Bisher wurde angenommen, dass im Arabischen Meer die Denitrifikation (ein bakterieller Prozess) für den Stickstoffverlust verantwortlich ist, in dem Nitrat zu Nitrit, über Stickstoffmonoxid und Distickstoffmonoxid schließlich zum N2 reduziert wird. In früheren Studien von anderen Wissenschaftlern wurden sauerstoffarme Bedingungen und gleichzeitig hohe Nitritwerte als Hinweis auf Denitrifikation und somit Stickstoffverlust gewertet, doch dieser Annahme lagen nur wenige Messungen zu Grunde. Um dieses Puzzle zu lösen, haben die Forscher vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie Phyllis Lam, Marlene Jensen und Marcel Kuypers zusammen mit Forschern aus Kiel, Oldenburg, Hamburg, Aarhus (Dänemark), Nijmwegen (Niederlande) und Princeton (USA) sich die einzelnen Reaktionsschritte des Stickstoffkreislaufes vorgenommen und untersucht, indem sie das Schicksal einiger mit dem stabilen 15N-Isotop markierten Verbindungen verfolgten. Zusätzlich identifizierten sie die für bestimmte Prozesse verantwortlichen Mikroorganismen und wiesen Genexpression von den dazugehörenden charakteristischen Genen nach.

Die Ergebnisse waren sehr überraschend. Im zentral-nordöstlichen Bereich des Arabischen Meers, in dem man früher wegen des hohen Nitritwerts die höchsten Stickstoffverluste vermutete, wurden so gut wie keine Stickstoffverluste gefunden. Die Forscher identifizierten als Ursache für die hohe Nitritkonzentration eine langsam ablaufende Nitratreduktion und eine geringe Oxidation von Ammonium. Beide Reaktionen können unter geringen Saustoffkonzentrationen ablaufen und führen zur Bildung von Nitrit.

Satellitendaten der letzten zehn Jahre zeigten, dass die Phytoplanktonproduktion im Untersuchungsgebiet im Mittel nicht besonders hoch war. Daher fehlten zur weiteren Reduktion des Nitrits schlicht die Mengen an organischem Material. Die geringe Wasserzirkulation tat ihr übriges, dass Nitrit sich in diesem Bereich des Arabischen Meeres angereichert hat.

Im Gegensatz dazu konnten die Forscher sehr hohe Stickstoffverluste im nordwestlichen Teil des Arabischen Meeres, vor der Küste Omans, welcher früher als unwichtig für die Stickstoffbilanz galt, nachweisen. Wie jetzt von den Wissenschaftlern in ihren beiden Publikationen gezeigt werden konnte, laufen hier zwei verschiedene, miteinander gekoppelte Stickstoff-Reaktionswege ab, die Anammox-Reaktion (Anaerobe Oxidation von Ammonium) und die dissimilatorische Nitratreduktion zu Ammonium (DNRA). Mit detektivischer Akribie und dem Einsatz von 15N-markierten Verbindungen fanden die Forscher die Beweise, denn doppelt-15N-markiertes N2 wurde aus 15N-markiertem Nitrit durch eine Kombination von DNRA und Anammox produziert. Dabei liefert die DNRA das Ammonium für die Anammox –Reaktion, die sowohl Nitrit als auch Ammonium für die Produktion von gasförmigen Stickstoff benötigt. Weitere Beweise lieferten Untersuchungen der Genexpression, welche die aktiv am Stickstoffumsatz beteiligten Gene der Mikroorganismen zeigten. Die Kopplung von Anammox mit DNRA, zusätzlich zu dem durch Anammox produzierten Stickstoffgas, erklärt die starken Stickstoffverluste.

Dr. Marcel Kuypers, Max-Planck-Direktor fasst zusammen:“ Diese Ergebnisse passen gut zu unseren früheren Befunden aus anderen SMZ-Gebieten wie dem Schwarzen Meer, den Auftriebsgebieten vor Peru, Chile und Namibia, in denen wir ebenfalls nachweisen konnten, dass Anammox für den Stickstoffverlust der wichitgste Prozess ist. Die hohen Nitritwerte im zentral-nordöstlichen Arabischen Meer sind wahrscheinlich die letzten Spuren von ehemals ablaufenden Prozessen, die jetzt ausklingen.“

Dr. Phyllis Lam aus dem Max-Planck-Institut fügt hinzu: “Das Arabische Meer sollte weiterhin im wissenschaftlichen Fokus bleiben, denn hier finden wichtige Prozesse statt, die Einfluss auf die gesamte Stickstoffbilanz haben. Es ist unwahrscheinlich, dass die Aktivität der Prozesse unbeeinflusst vom Monsun im Jahresverlauf gleich bleibt und weiterhin wird sich der Stickstoffkreislauf auch mit steigenden Einträgen aus der Atmosphäre und von Land durch zivilisatorische Aktivität verändern. Leider sind Forschungsfahrten wegen der vielen Piratenüberfälle in diesem Gebiet zur Zeit unmöglich.“

Manfred Schlösser

Rückfragen an
Dr. Phyllis Lam, Tel. +49 (0)421 2028 644; plammpi-bremen.de
Dr. Marcel Kuypers, Tel. +49 (0)421 2028 602; mkuypersmpi-bremen.de
Dr. Marlene Mark Jensen
Technical University of Denmark
Phone +45 45251437; mmajenv.dtu.dk
oder an den Pressesprecher:
Dr. Manfred Schlösser Tel. +49 (0)421 2028 704; mschloesmpi-bremen.de
1. Originalartikel
Origin and fate of the secondary nitrite maximum in the Arabian Sea. P. Lam, M. M. Jensen , A. Kock , K. A. Lettmann, Y. Plancherel, G. Lavik, H. W. Bange , and M. M. M. Kuypers. Biogeosciences, 8, 1565–1577, 2011

doi:10.5194/bg-8-1565-2011

Beteiligte Institute
Max Planck Institute for Marine Microbiology, Bremen, Germany
IFM-GEOMAR, Kiel, Germany
Institut für Chemie und Biologie des Meeres, Universität Oldenburg, Germany
Department of Geosciences, Guyot Hall, Princeton University, USA
2. Originalartikel
Intensive nitrogen loss over the Omani Shelf due to anammox coupled with dissimilatory nitrite reduction to ammonium. Marlene M Jensen, Phyllis Lam, Niels Peter Revsbech, Birgit Nagel, Birgit Gaye, Mike SM Jetten and Marcel MM Kuypers. The ISME Journal (2011) 1-11. doi:10.1038/ismej.2011.44

Beteiligte Institute

Max Planck Institute for Marine Microbiology, Bremen, Germany
Institute of Biological Sciences, University of Aarhus, Aarhus, Denmark
Institute of Coastal Research, GKSS Research Center, Geesthacht, Germany
Institute of Biogeochemistry and Marine Chemistry, University of Hamburg, Germany

Department of Microbiology, IWWR, Radbound University Nijmegen, The Netherlands

Das Arabische Meer ist ein Teil des Indischen Ozeans und grenzt an de Länder Indien, Pakistan, Oman und Somalia. (Quelle:Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie).

Dr. Manfred Schloesser | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpi-bremen.de/

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