Einfluss von Nitrifikanten auf den marinen Kohlenstoffzyklus

Ungefähr ein Viertel des Kohlenstoffdioxids (CO2), welches in die Atmosphäre abgegeben wird, löst sich im Oberflächenwasser des Meeres, wo es sich im Gleichgewicht mit anderen anorganischen Kohlenstoffverbindungen befindet. Phytoplankton, welches im lichtdurfluteten Oberflächenwasser lebt, ist für die Hälfte der Photosynthese auf der Erde verantwortlich und wandelt diesen anorganischen Kohlenstoff in Biomasse um. Wenn Phytoplankton stirbt und folglich durch die Wassersäule sinkt, wird organischer Kohlenstoff in Form von Biomasse in die Tiefen des Meeres transportiert und erhält dadurch das marine Nahrungsnetz. Obwohl der Großteil des organischen Kohlenstoffs durch Mikro- und Makroorganismen schließlich wieder zu CO2 veratmet wird, sinkt ein kleiner Teil zum Meeresboden und kann dort für mehrere Tausend Jahre verweilen. Unser Verständnis darüber wie Kohlenstoff diesen Zyklus durchläuft, um letztendlich am Meeresboden zu gelangen, liefert wichtige Informationen für globale Modelle und Prognosen darüber, welche Rolle der Ozean für die Abschwächung des Klimawandels spielt. Neben Mikroorganismen, die organischen Kohlenstoff konsumieren, gibt es in der Tiefsee auch Mikroorganismen, die chemische Energie nutzen können, um anorganische Kohlenstoffverbindungen in Biomasse umzuwandeln. Diese Organismen in der Lage, zum Beispiel reduzierte Stickstoffverbindungen wie Ammoniak (NH3) oder Nitrit (NO2-) zu oxidieren, um damit Energie für die Kohlenstofffixierung zu gewinnen. Ähnlich wie PhytoplanktonimOberflächenwasser stellen Ammoniak- undNitrit-oxidierende Mikroorganismen in der Tiefsee dadurch organischen Kohlenstoff für andere Mikroorganismen bereit, die diese organischen Verbindungen konsumieren. Neben dem organischen Material, welches aufgrund von Zelltod und Lyse abgegeben wird, können auch lebende Zellen organische Verbindungen in das Umgebungswasser abgeben. Diese könnten eine wichtige zusätzliche Quelle an organischem Kohlenstoff in der Tiefsee darstellen, die bisher noch nicht in Modellen des marinen Kohlenstoffzyklus integriert sind. Unter Verwendung von Laborkulturen und Freilandmessungen beschäftigt sich dieses Forschungsprojekt mit der Quantifizierung und Charakterisierung von organischem Material, welches von Ammoniak- und Nitrit-oxidierenden Mikroorganismen ins Meer abgegeben wird. Das übergeordnete Ziel besteht darin, bislang unbekannte beziehungsweise unerforschte Kohlenstoffquellen in globale Kohlenstoffmodelle zu integrieren, um dadurch zukünftige Klimawandelzenarien besser verstehen zu können.

Unser Verständnis darüber welche Kreisläufe Kohlenstoff durchläuft, um letztendlich am Meeresboden zu gelangen, liefert wichtige Informationen für globale Modelle und Prognosen darüber, welche Rolle der Ozean für die Abschwächung des Klimawandels spielt. Neben Mikroorganismen, die organischen Kohlenstoff konsumieren, gibt es in der Tiefsee auch Mikroorganismen, die chemische Energie nutzen können, um anorganische Kohlenstoffverbindungen in Biomasse umzuwandeln (Chemosynthese). Diese Organismen sind in der Lage, zum Beispiel reduzierte Stickstoffverbindungen wie Ammoniak (NH3) oder Nitrit (NO2-) zu oxidieren, um damit Energie für die Kohlenstofffixierung zu gewinnen. Diese frische Kohlenstoffquelle stellt eine wichtige Nahrungsquelle für heterotrophe Nahrungsnetze in der Tiefsee dar. Neben dem organischen Material, welches aufgrund von Zelltod und Lyse abgegeben wird, können auch lebende Zellen organische Verbindungen in das Umgebungswasser abgeben. Um den marinen Kohlenstoffzyklus besser verstehen zu können, ist die Quantifizierung des anorganischen Kohlenstoffes, den Mikroorganismen fixieren und in Form von organischem Kohlenstoff wieder an das Umgebungswasser abgeben, besonders wichtig. Um diese Wissenslücke zu füllen, haben wir im Zuge dieses Projektes anorganische Kohlenstofffixierungsraten, sowie die Abgabe von gelösten, organischen Kohlenstoffverbindungen in Laborkulturen gemessen. Die Ergebnisse der Studie legen nahe, dass Ammoniak- und Nitrit-oxidierende Mikroorganismen zwischen 5 und 15% des kürzlich fixierten Kohlenstoffes in der Form von gelöstem, organischen Material abgeben. Dies würde im globalen Ozean jährlich zwischen 6000 und 20,000 Kilotonnen Kohlenstoff ausmachen. Die abgegebenen Substanzen könnten daher eine wichtige zusätzliche Quelle an organischem Kohlenstoff in der Tiefsee darstellen, die bisher noch nicht in Modellen des marinen Kohlenstoffkreislaufes integriert sind. Ein wichtiger nächster Schritt besteht darin herauszufinden, wie stabil diese Kohlenstoffverbindungen sind und was damit im Ozean passiert, um die Auswirkungen auf marine Nahrungsnetze und die biologische Einlagerung von Kohlenstoff im Ozean besser zu verstehen. Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieses Forschungsprojektes ist die Entdeckung, dass einige marine Nitrit-oxidierende Mikroorganismen Formiat als Energiequelle nutzen können. Die Aktivitäten von Ammoniak- und Nitrit-oxidierenden Mikroorganismen sind typischerweise sehr eng miteinander gekoppelt, da beide Gruppen am Nitrifikationsprozess beteiligt sind. Diese größere Flexibilität von Stoffwechselvorgängen bei Nitrit-oxidierenden Mikroorganismen fordert diese Ansicht heraus. Die Bedeutung dieser alternativen Stoffwechselwege im Ozean wird in einer Folgestudie untersucht werden. Zusammenfassend verdeutlichen die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes die vielfältigen Rollen, die nitrifizierende Mikroorganismen im marinen Kohlenstoffkreislauf einnehmen, wie beispielsweise die Abgabe von organischem Material, oder die Verwendung von organischem Kohlenstoff als Energiequelle. Darüber hinaus liefern diese Ergebnisse wichtige Zahlen für biogeochemische Modelle des globalen Kohlenstoffkreislaufes und helfen dabei, die quantitativen Zusammenhänge zwischen Kohlenstoff- und Stickstoffflüssen im Nitrifikationsprozess besser verstehen zu können.