In den produktiven Zonen des Meeres sinkt ständig organisches Material ab, der „marine Schnee“. Insbesondere die kleinsten dieser Partikel sind für die Regulierung des Stickstoffhaushaltes der Meere entscheidend, wie nun Forscher herausgefunden haben. Demnach trägt vor allem dieser feine „Meeresschnee“ dazu bei, die in den Partikeln gebundenen Nährstoffe zu den abbauenden Bakterien in Wasser und Sediment zu transportieren.
Vor allem in Küstennähe und am Grund der Meere bilden sich immer häufiger sauerstoffarme „Todeszonen“ aus –Bereiche, in denen der Sauerstoffgehalt des Wassers so gering ist, dass Meerestiere nicht mehr überleben können. Diese Sauerstoff-Minimumzonen sind zwar ein natürliches Phänomen, sie werden aber durch die Erwärmung des Meerwassers und die menschengemachte Überdüngung verstärkt.
Durch den verstärkten Eintrag von Nährstoffen gelangt ein Überschuss an Nitrat und Ammonium ins Wasser und fördert das Wachstum von pflanzlichem Plankton. Stirbt dieses dann ab, wird es von Bakterien unter Sauerstoffverbrauch zersetzt und der Sauerstoff wird knapper. Sobald kein Sauerstoff mehr vorhanden ist, werden Nitrat und Ammonium durch anaerobe Prozesse zu Stickstoff umgewandelt, der dann als Gas den Ozean verlässt. Dadurch sind die Sauerstoff-Minimumzonen für bis zu 40 Prozent des globalen Stickstoffverlustes im Meer verantwortlich.
Welche Rolle spielt der marine Schnee?
Durch welche Faktoren die Abbau-Prozesse der Stickstoffverbindungen reguliert werden, haben Wissenschaftler um Clarissa Karthäuser vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in einer Sauerstoff-Minimumzone im östlichen Südpazifik vor Peru genauer untersucht. Dabei wollten sie vor allem dem sogenannten Anammox-Prozess auf den Grund gehen, bei dem Ammonium mit Nitrit unter anaeroben Bedingungen zu molekularem Stickstoff umgewandelt wird. Anstoß gab die Beobachtung, dass dieser Anammox-Prozess vor allem dort besonders intensiv ist, wo viel organisches Material in Form des sogenannten marinen Schnees vorhanden ist. Diese Partikel sinken vor allem nach Algenblüten in Richtung Tiefsee.
Die Forscher vermuteten, dass die stickstoffreichen „Schneeflocken“ als Ammoniumquelle für die Anammox-Reaktion dienen könnten. Dagegen sprach allerdings, dass direkt auf den kleinen organischen Partikeln keine Anammox-Bakterien zu entdecken waren, die das Ammonium normalerweise zu Luftstickstoff umwandeln. Das weckte die Frage, wie die frei in der Wassersäule lebenden Bakterien diese Nährstoffquelle finden. Mithilfe von mit Unterwasserkameras haben die Forschenden dies an Partikelteilchen vier verschiedener Größenklassen in unterschiedlichen Meerestiefen untersucht.
Kleine Flocken versorgen Bakterien
Die Auswertungen bestätigten, dass der marine Schnee den Abbau des Ammoniums in der Sauerstoff-Minimumzone entscheidend mitbeeinflusst. Dabei sind offenbar vor allem die kleineren Flocken wichtig. „Wir haben beobachtet, dass der Anammoxprozess vor allem da stattfindet, wo viele kleine Partikel vorhanden sind“, berichtet Karthäuser. „Für den Anammox-Prozess sind also kleine Partikel wichtiger als große – wobei klein heißt, dass sie etwa die Größe einer Haaresbreite haben und noch gerade so sichtbar sind.“. Diese kleinen Partikel sinken nur langsam und haben dadurch längere Aufenthaltszeiten als größere Flocken. Gleichzeitig ist das organische Material bei den kleineren Partikeln enger verklebt. Dadurch transportieren sie etwa so viel Material pro Partikel wie die größeren Klumpen.
„Wir haben festgestellt, dass die Ammonium-Konzentration in der Grenzschicht, das heißt, um das Partikel herum, deutlich erhöht ist“, erklärt Karthäusers Kollege Soeren Ahmerkamp. Insgesamt setzten die kleinere Partikel etwa 75 Prozent mehr remineralisierten Stickstoff frei als größere Partikel, so die Forscher. „So ist es erstens durch die hohe Anzahl und langen Aufenthaltszeiten von kleinen Partikeln in der Wassersäule sehr wahrscheinlich, dass Bakterien zufällig auf sie treffen“, folgert Ahmerkamp. „Zweitens werden durch die hohe Ammoniumkonzentration in der Grenzschicht schnell viele Bakterien versorgt.“ Tatsächlich zeigte sich in einer Modellsimulation der Wissenschaftler, dass Anammox-Bakterien im Durchschnitt rund zweimal wahrscheinlicher auf Ammonium aus kleineren Partikeln trafen.
Stickstoffkreislauf erweitert
„Mit der Studie haben wir einen wichtigen Aspekt des Anammox-Prozesses geklärt und damit wesentlich zu einem besseren Verständnis des Nährstoffhaushaltes der Meere beigetragen“, resümiert Karthäusers Kollege Marcel Kuypers. „Mit diesen Daten können wir nun biogeochemische Erdsystemmodelle erweitern, um die Auswirkungen des vom Menschen beeinflussten Sauerstoffmangels und des erhöhten Planktonwachstums auf den Stickstoffkreislauf besser einzuschätzen.“
Quelle: Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Fachartikel: Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-021-23340-4
