Forschungsbericht 2006 - Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie

Der Stickstoffzyklus des Ozeans

Autoren
Kuypers, Marcel M. M.
Abteilungen

Nutrient-Gruppe (Dr. Marcel Kuypers)
MPI für marine Mikrobiologie, Bremen

Zusammenfassung
Die Nutrient-Gruppe wurde als eine durch die Max-Planck-Gesellschaft geförderte selbständige Nachwuchsgruppe im Mai 2005 gegründet. Einer der Forschungsschwerpunkte der Nutrient-Gruppe ist die Stickstoffverfügbarkeit im Ozean. Besonderes Augenmerk liegt auf den Prozessen, welche die Verfügbarkeit von Stickstoff in der marinen Umwelt kontrollieren, sowie deren Einfluss auf globale biogeochemische Zyklen. Diese Prozesse werden üblicherweise von Mikroben ausgeführt, daher wird eine Kombination aus neu entwickelten geochemischen, mikrobiologischen und molekular-ökologischen Techniken angewandt. Eines der Hauptprojekte, an denen die Nutrient-Gruppe derzeit arbeitet, ist die Erforschung der kürzlich beschriebenen anaeroben Ammoniumoxidation (Anammox) und deren Rolle im Stickstoffzyklus des Ozeans.

Die Rolle der Anammoxbakterien beim Stickstoff-Verlust im Ozean

In vielen Regionen des Ozeans ist das Wachstum des Phytoplanktons stickstofflimitiert, weil die Fixierung von N2, sprich: die Erneuerung von fixiertem anorganischem Stickstoff, nicht den durch anaerobe mikrobielle Prozesse abgebauten fixierten Stickstoff ersetzen kann. Das Wissen um den marinen Stickstoffzyklus ist wiederum entscheidend, um die Faktoren zur Kontrolle der Primärproduktion und des marinen Kohlenstoffzyklus zu verstehen. Ein Großteil (30-50%) des gesamten Stickstoffverlustes findet in Sauerstoff-Minimum-Zonen (SMZs) statt und wurde bisher immer mit Denitrifikation (chemische Reduzierung des Nitrats [NO3-] zu Stickstoff [N2] durch heterotrophe Bakterien) in Verbindung gebracht. Kürzlich aber zeigte sich, dass nicht Denitrifikation, sondern der Anammox-Prozess für den Stickstoffverlust im SMZ-Wasser einer der höchst produktiven Regionen der Weltozeane, dem Benguela-Auftriebssystem, verantwortlich ist. Die dort direkt durchgeführten, so genannten in situ Experimente belegten, dass Nitrat in der suboxischen Zone nicht durch heterotrophe Denitrifikation in N2 umgewandelt wird. Im Benguela-System zeigen Nährstoffprofile, Vorkommen von Anammoxzellen, Anammoxraten und spezifische Biomarkerlipide an, dass Anammoxbakterien für die massiven Verluste an fixiertem Stickstoff verantwortlich sind; an diesem Standort wurden erstmalig Anammoxbakterien identifiziert und direkt mit dem Rückgang von fixiertem anorganischen Stickstoff im SMZ-Wasser des offenen Ozeans in Verbindung gebracht [1]. Die Entdeckung dieses Zusammenhangs führte zu einer genauen Untersuchung der Prozesse, die für den Verlust von fixiertem anorganischen Stickstoff in der peruanischen SMZ, der größten suboxischen Wassermasse der Welt verantwortlich sind. Die Ergebnisse der Untersuchung in peruanischen SMZ führte zu vergleichbaren Ergebnissen wie im Benguela-System, nämlich dass anorganischer Stickstoff nicht direkt durch heterotrophe Denitrifikation in N2 umgewandelt wird, sondern durch Anammox-Prozesse.

Der geschätzte Gesamtverlust an Stickstoff in den SMZ der Weltozeane (80-150 Tg pro Jahr) basierte auf Nährstoffmessungen und wurde bislang ganz der heterotrophen Denitrifikation zugeschrieben (vor der Entdeckung der Anammoxbakterien war kein anderer Prozess bekannt), und dies, obwohl es keinen gesicherten Beweis zum Beispiel mit Experimenten unter Verwendung von 15N-markiertem Nitrat gab, der eine heterotrophe Denitrifizierung determiniert hätte. Statt dessen zeigten neue Ergebnisse, dass Anammoxbakterien für den massiven Verlust an fixiertem Stickstoff im Wasser der peruanischen SMZ und im Wasser der Benguela-SMZ verantwortlich sind. Derzeit wird untersucht, ob Anammox auch ein dominierender Prozess für den Stickstoffverlust in anderen SMZ-Gewässern ist.

Das Zusammenspiel von Nitrifikation und Anammox

Unter den Prozessen im Stickstoffzyklus ist Nitrifikation – die schrittweise oxidative Umwandlung von Ammonium (NH4+) zu Nitrit (NO2-) und dann Nitrat (NO3-) – für den Aufbau von großen Nitratreserven in der Tiefsee verantwortlich. Die Nitrifikation verbindet auch die Wiederherstellung von anorganischem Stickstoff (Ammonifikation) mit dem Stickstoffverlust der Ozeane, da ihre Produkte gleichzeitig Substrate für die Denitrifikation und Anammox sind (Abb. 1).

In marinen suboxischen Gewässern wie dem Schwarzen Meer oder der peruanischen SMZ sind wegen des geringen Anteils an Sauerstoff und des relativ hohen Anteils an NH4+ Nitrifikation und Anammox in unmittelbarer, räumlicher Nähe miteinander gekoppelt, während heterotrophe Denitrifikation nicht gefunden wurde.

Welche Prokaryonten spielen mit?

Lange Zeit waren nur spezifische Gruppen von β- und γ-Proteobacteria für die Ausführung aerober Ammoniumoxidation bekannt, den ersten und ratenlimitierenden Schritt der Nitrifikation. Kürzlich haben jedoch metagenomische Studien dieses biochemische Potenzial auch in der „Marinen Gruppe I“, den Crenarchaeota (MGI), zum Vorschein gebracht, einer Gruppe von Mikroben, die sehr häufig (bis zu 30%) in marinen Mikroplankton-Gemeinschaften vorkommt. Das Potenzial wurde nachfolgend in einer Studie mit dem marinen Isolat Candidatus “Nitrosopumilus maritimus“ bestätigt: Mit amoA, dem Gen zur Kodierung des Enzyms Ammonium Monooxygenase (Untereinheit A) als funktionellen Biomarker, wurde bestimmt, ob ammoniumoxidierende Bakterien oder aber Crenarchaea die wichtigeren Nitrifizierer in verschiedenen Sauerstoffumgebungen der Wasserschichten des Schwarzen Meeres sind.

Die amoA Genhäufigkeit zeigte, dass Crenarchaeen in der niederen Sauerstoffzone des Schwarzen Meeres stark dominierten. Die Häufigkeit der amoA mRNA zeigte, dass die Aktivität dieser ammoniumoxidierenden Crenarchaeen ihr Maximum in der Nitrifikationszone erreichte. Im Gegensatz dazu dominierten ammoniumoxidierende γ-Proteobakterien in der suboxischen Zone. Die Nitrifikation unter mikroaeroben Bedingungen wurde durch Experimente mit 15N-markiertem Ammonium bestätigt - dieser Prozess lieferte eine direkte lokale Nitritquelle für Anammox in der suboxischen Zone. Ammoniumoxidierende Crenarchaeota und γ-Proteobakterien sind wichtige Nitrifizierer im Schwarzen Meer, aber sie scheinen in verschiedenen Nischen entlang eines Sauerstoffgradienten zu dominieren. Jeder dieser beiden Nitrifikations-Prozesse erbrachte etwa die Hälfte des für Anammox erforderlichen Nitrits. Durch dieses hier beobachtete Zusammenspiel von Nitrifikation und Anammox könnte die Ammoniumregenerierung in SMZ direkt mit dem Stickstoffverlust verbunden werden.

Stickstoffabbau im Wattenmeer

Die Küstenzonen und Flussmündungssysteme sind gegenüber einer durch die Aktivitäten des Menschen bedingten Nährstoffzufuhr ungeschützt. Deshalb ist die Forschung gefordert, die Konsequenzen des erhöhten Stickstoffeintrags zu erkennen. Im Verlauf der Sedimentforschung, die hauptsächlich in feinen Sedimenten stattfand, wurde offensichtlich, dass permeable Sedimente für die Zirkulation der Elemente in Ökosystemen sehr wichtig sind. Permeable Sande bedecken etwa 70% der flachen Kontinentalschelfs, die einen großen Prozentsatz (20 – 30%) der gesamten Primärproduktion der Meere unterstützen. Da sich jedoch Standardvorrichtungen, die für feinkörnige Ablagerungen entwickelt wurden, nicht für die genaue Nachstellung von in situ-Bedingungen in Sanden eigneten, sind die mikrobiellen Prozesse, welche die Erneuerung und Freisetzung von Nährstoffen auf flachen Schelfs in die darüberliegende Wassersäule kontrollieren, kaum verstanden. Daher wird zurzeit untersucht, wie permeable Sedimente im Wattenmeer die vom Land eingeleiteten Nährstoffe entlang der Küste abbauen. Die übergeordnete Hypothese dieses Projektes ist, dass die Kombination von Denitrifikation und Anammox hauptsächlich für die Freisetzung von Stickstoff an der Küste verantwortlich ist. Es ergeben sich folgende Fragen: i.) Wie wichtig sind permeable Sande für den Abbau von Stickstoff im marinen Ökosystem an der Küste, und ii.) welche Prozesse sind hauptsächlich für Stickstoff-Umsatz innerhalb der flachen permeablen Sande verantwortlich?

Die Rolle der Denitrifikation und Anammox für den Stickstoffabbau wird jetzt durch Feldexperimente im Wattenmeer untersucht. Kultivierungsunabhängige und molekulare Techniken werden benutzt, um die für den Stickstoffabbau verantwortlichen Mikroorganismen zu identifizieren. Zusätzlich werden die Mechanismen des Stickstoff-Umsatzes durch gezielte Veränderung der Schlüsselparameter (Fließgeschwindigkeit, organischer Kohlenstoffgehalt, Anteil an organischen Substanzen) im Labor weiter erforscht.

Stickstoffumsatz in Gas- und Fluidquellen des Japan-Grabens

Der größte Teil (50-70%) des Stickstoffverlustes durch Denitrifikation und Anammox findet im Meeresboden statt. Obwohl sich fast 60% der Erdoberfläche in mehr als 2000 m Wassertiefe am Meeresboden wiederfinden, gibt es bislang fast keine Studien, die sich mit dem Stickstoffverlust unterhalb 1000 m Wassertiefe befasst haben. Im Juni 2006 wurde mit dem bemannten Tauchboot Shinkai 6500 zu Gas- und Fluidquellen im Japan-Graben (5300 m und 6280 m Tiefe) getaucht, um den Stickstoffabbau in der Tiefsee zu untersuchen. Diese Quellen sind durch den Austritt von extrem ammoniumreichen Fluiden gekennzeichnet (Abb. 2).

Sediment- und Wasserproben wurden mit 15N-markierten Nährstoffen inkubiert, um Nitrifikations-, Denitrifikations- und Anammoxraten zu messen. Die meisten Ratenmessungen fanden an Deck unter atmosphärischem Druck statt, aber ausgewählte Sediment- und Wasserproben wurden direkt am Meeresboden unter in situ-Bedingungen (500 oder 600 atm) inkubiert, um die Druckabhängigkeit dieser Prozesse im Stickstoffzyklus zu untersuchen. Auch hier wurden kultivierungsunabhängige und molekulare Techniken benutzt, um die für den Stickstoffumsatz verantwortlichen Mikroorganismen zu identifizieren (Abb. 3).

Nährstoffaustausch und bakterielle Stoffumsätze in den Sedimenten und bodennahen Wasserschichten der Kontinentalränder

Dieses Projekt untersucht die Nährstoffdynamik an der Wasser-Sediment Grenzschicht. Diese Grenzschicht wird charakterisiert durch einen rapiden Wandel von schnellen, durch Turbulenzen hervorgerufene Transportprozesse in der Wassersäule, und langsamen, durch Diffusion hervorgerufene Transportprozesse innerhalb des Sediments. Die Reibung zwischen der sich bewegenden Wassersäule und dem Sediment ergibt eine Grenzschicht, wobei die Turbulenz in Richtung Sediment zunimmt. Diese Grenzschicht, die bottom boundary layer (BBL) genannt wird, ist die Transitzone für Nährstoffe, die aus dem Sediment in die obere Wassersäule diffundieren, und für Parikel, die aus der produktiven oberen Wassersäule nach unten zum Sediment sinken. In der BBL finden der Reihe nach Degradationsprozesse statt, die weitere Nährstoffe freigeben. Die BBL wird charakterisiert durch steile Nährstoffgradienten als Folge der unterschiedlichen Transportgeschwindigkeiten. Die aus dem anoxischen Sediment diffundierenden Nährstoffe treffen auf das BBL-Wasser, das üblicherweise höhere Sauerstoffkonzentrationen aufweist. Bisher ist wenig darüber bekannt, was mit den Nährstoffen in der BBL geschieht, da die Probengewinnung sehr schwierig ist. Herkömmliches Wassersäulengerät kann nur Proben aus wenigen Metern über dem Sediment aufnehmen. Ein kürzlich entworfener Bodenwasserschöpfer soll dieses Problem lösen (Abb. 4).

Die mit dem Bodenwasserschöpfer erhaltenen Wasserproben werden für die Messungen von Nährstoffgehalt, Partikelgehalt und Partikelzusammensetzung genutzt. An Teilproben werden Respirations- und Nährstoffumsatz gemessen. Zusätzlich wird die Fließgeschwindigkeit in der Wassersäule mithilfe der Akustik-Doppler-Technik gemessen und mit den Nährstoffprofilen verglichen, um die Rolle der Transportprozesse bei der Nährstoffumwandlung zu verstehen.

Schwefelabbau mit Nitrat in den Küstengewässern Namibias

Auftriebsgebiete an den Westküsten der Kontinente gehören zu den produktivsten Regionen unseres Planeten mit großer ökologischer und ökonomischer Bedeutung: Ablandige Winde oder küstenparallele Winde in Kombination mit Ekmanndrift treiben das Oberflächenwasser auf den offenen Ozean hinaus, während kaltes, nährstoffreiches Wasser aus der Tiefe an die lichtdurchflutete Wasseroberfläche emportreibt. Dies schafft ideale Wachstumsbedingungen für Algen und Kleinstlebewesen - die Nahrungsgrundlage für den großen, durch den Menschen verwertbaren Fischreichtum der küstennahen Gewässer. Das Auftriebsgeschehen entlang der Küste Namibias schafft die Basis für die weltweit höchste Primärproduktion im offenen Ozean. Widersprüchlich bleibt hier aber, dass die brauchbaren Fischressourcen unter einem Zehntel im Vergleich zu anderen Auftriebsgebieten wie beispielsweise dem Peru/Humboldt-System liegen.
Die wahrscheinlichste Erklärung für die niedrigeren Fischbestände, die immerhin noch einen wesentlichen Teil von Namibias Ökonomie ausmachen, sind die immer wieder vorkommenden Austritte von Schwefelwasserstoff aus den Sedimenten vor der Küste des Staates. Der Kontakt mit dem schwefelwasserstoffhaltigen Wasser ist für Fische und andere Meeresbewohner meist tödlich, denn Schwefelwasserstoff ist ein natürliches Atmungsgift. Die meistverbreitete Theorie für die Entstehung dieser ökologischen Katastophe sind gewaltige Gas- und Sedimenteruptionen. Deren Verlauf ist trotz intensiver Forschung immer noch wenig verstanden.

Durch eine Kombination von Langzeitbeobachtungen, monatlichen Ausfahrten, Verankerungen, Satellitenaufnahmen und großräumigen, hochauflösenden Untersuchungen wurden die Enstehung, Hintergründe und Ausmaße dieser Schwefelaustritte genauer untersucht. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass keine gewaltigen Eruptionen, sondern die Diffusion aus den Sedimenten nach der Erschöpfung von Sauerstoff und Nitrat im Bodenwasser die Quelle für den Schwefelwasserstoff ist. Experimente mit 15N-markierten Nährstoffen zeigten, dass anaerobe Schwefeloxidation durch Anwesenheit des Nitrats im Bodenwasser stattfinden kann und dieser Prozess eine Pufferzone zwischen dem toxischen Schwefelgas und den Fischen im sauerstoffhaltigen Wasser schafft. Diese Pufferzone funktioniert solange, bis das Nitrat verbraucht ist oder „toxisches Wasser“ durch Küstenwinde aus der Tiefe an die Wasseroberfläche emporgetrieben wird, mit der Folge eines erneut einsetzenden Fischsterbens. .

Stickstoffassimilation in marinen Bakterien

Eine der Hauptquellen von gebundenem Stickstoff im Ozean ist die Stickstofffixierung durch so genannte diazotrophe Prokaryoten. Durch die Kombination von in situ-Experimenten mit stabilen Isotopen und molekularen Techniken wie der Durchflusszytometrie soll die Identität der Organismen und ihre Rolle im Stickstoffkreislauf auf zellulärer Ebene untersucht werden. Diazotrophe Prokaryoten können den atmosphärischen Stickstoff (N2) als Quelle nutzen. Da aber dieser Prozess sehr viel Energie benötigt, geht man davon aus, dass Stickstofffixierer nur dort in der Lage sind sich durchzusetzen, wo die Menge an fixiertem anorganischen Stickstoff für andere Organismen zu gering ist. Daher haben sich bisher fast alle Studien an diazotrophen Prokaryonten auf die Stickstofffixierung in den nährstoffarmen (oligotrophen) Wirbeln des Ozeans gerichtet. Ozeanographische und biogeochemische Modelle deuten nun jedoch an, dass eine N2-Fixierung auch für die Umgebung von Sauerstoff- Minimum-Zonen (SMZ) von großer Bedeutung ist, in denen, wie eingangs beschrieben, große Mengen fixierten anorganischen Stickstoffs durch die Aktivität von Anammox-Bakterien und Denitrifikation verlorengehen. Die Ausfahrt Nr. 57/3 mit dem Forschungsschiff Meteor führte von einer SMZ vor der namibischen Küste gelegen durch verschiedene ozeanische Regionen, die durch Strömungen und Gebirge am Meeresboden beeinflusst und begrenzt sind, in Richtung Äquator (Dakar, Senegal). Erste Ergebnisse zeigen Schwankungen im Vorkommen anorganischen Stickstoffs und auch unterschiedliche Raten von Stickstofffixierung. Im Cape-Becken an der Grenze der namibischen SMZ und im Angola-Becken wurden hohe Stickstoff-Fixierungsraten gemessen. Während im Oberflächenwasser des Angola-Beckens N2-Fixierung die Hauptquelle des anorganischen Stickstoffs ist, werden in der direkten Nähe zur namibischen SMZ nur etwa 10% des Stickstoff-Bedarfs durch N2 Fixierung gedeckt. Interessanterweise gibt es genau an der Grenze des Angola Gyre einen hohen Überschuss an Stickstoffkomponenten, gepaart mit hohen N2 Fixierungsraten, die auch hier die Hauptquelle für anorganischen Stickstoff darstellen. Im Oberflächenwasser des Guinea-Beckens mit geringen Konzentrationen an anorganischem Stickstoff ist die Fixierungsrate von N2 unterhalb des messbaren Bereiches.

Im September 2006, während der Ausfahrt Nr. 03/1 mit dem Forschungsschiff Maria S. Merian auf der Fahrtroute entlang des 30. Längengrades von Grönland durch den nährstoffarmen, kalten Ostgrönlandstrom, den warmen Nordatlantikstrom und den nährstoffarmen Wirbel südlich der Azoren, wurde der Stickstoffkreislauf in der oberen Wassersäule ganz besonders unter die Lupe genommen: Proben wurden bis zu einer Tiefe von 75 m gezogen, mit 15N-markiertem Stickstoff, Ammonium und Leucin versetzt und einige Stunden inkubiert. Die Ergebnisse sind in Bearbeitung.

Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse, dass Stickstofffixierung auch und besonders in Regionen von Stickstoffsenken, wie der namibischen SMZ, eine wichtige Rolle im Stickstoffkreislauf spielen kann.

Originalveröffentlichungen

Kuypers, M. M. M.; Lavik, G.; Woebken, D.; Schmid, M.; Fuchs, B. M.; Amann, R.; Jørgensen, B. B.; Jetten, M. S. M.:
Massive nitrogen loss from the Benguela upwelling system through anaerobic ammonium oxidation.
Proceedings of the National Academy of Sciences USA 102, 6478-6483 (2005)
Kuypers, M. M. M., Sliekers, A. O.; Lavik, G.; Schmid, M.; Jørgensen, B. B.; Kuenen, J. G.; Sinninghe Damsté, J. S.; Strous, M.; Jetten, M. S. M.:
Anaerobic ammonium oxidation by anammox bacteria in the Black Sea.
Nature 422, 608-611 (2003)
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