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Die Proben der Studie stammen aus dem Golf von Mexiko © MPI für Marine Mikrobiologie/K. Kitzinger
Die Proben der Studie stammen aus dem Golf von Mexiko © MPI für Marine Mikrobiologie/K. Kitzinger

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Trotz Unterzahl: Bekannter Spieler hält Stickstoffabbau in Waage

07.02.2020

Ein Rätsel um den ausgeglichenen Abbau von Stickstoff in den Meeren hat ein Forschungsteam mit österreichischer Beteiligung gelöst: Im Fachblatt "Nature Communications" identifizierten sie einen bereits bekannten Mitspieler am Stickstoffkreislauf als notorischen Vielarbeiter, der auch in Unterzahl so viel umsetzt wie andere Mikroorganismen bei rund zehnfacher Mannstärke, wie es heißt.

Bei der Umwandlung von Stickstoff in seine verschiedenen Erscheinungsformen in der Biosphäre spielen Mikroorganismen eine Schlüsselrolle. Ein wesentlicher Teilschritt im Stickstoffkreislauf ist die Nitrifikation, die von "Nitrifikanten" genannten Mikroben durchgeführt wird. Ausgangsstoff in diesem Prozess ist Ammonium (NH4). Dieses wird beim Zerfall abgestorbener Biomasse frei oder auf landwirtschaftlich genutzten Böden auch häufig als Dünger zugesetzt. Ammonium wird im ersten Schritt der Nitrifikation zunächst zum giftigen Nitrit (NO2) und dieses im zweiten Schritt schließlich zum etwas harmloseren Nitrat (NO3) oxidiert.

Wie genau dieser Vorgang jedoch im Meer vonstatten geht, war bisher noch nicht vollständig geklärt, heißt es in einer Aussendung der Universität Wien. Klar war, dass beide Umwandlungsschritte in ausgeglichenem Ausmaß von Meeresorganismen erledigt werden. Während die erste Phase der Umwandlung im Meer nachweislich von Ammoniak oxidierende Archaea ausgeführt wird, stand hinter dem zweiten Schritt der Umwandlung noch ein Fragezeichen.

Die Archaea zählen nämlich zu den häufigsten Organismen auf der Erde. Die bisher identifizierten Verantwortlichen für die Produktion von Nitrat - die Nitrit-oxidierende Bakterien namens Nitrospinae - sind im Meer jedoch deutlich seltener. Die Wissenschafter dachten daher bisher, dass in dem Prozess noch ein weiterer, bisher noch unbekannter Akteur beteiligt sein müsste.

Nitrospinae deutlich effizienter als die Archaea

Die Forscher des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen, vom Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft der Uni Wien, der University of Southern Denmark und des Georgia Institute of Technology (USA) zeigten jetzt anhand von Daten aus dem Golf von Mexiko, dass "wir überraschenderweise vermutlich schon alle Mitspieler kennen", so die Bremer Wissenschafterin Katharina Kitzinger. Auch wenn die Nitrospinae gegenüber den Archaea rund zehnfach in der Unterzahl sind, zeigen die neuen Ergebnisse, "dass die Nitrospinae deutlich aktiver sind und sehr viel schneller wachsen als die Ammoniak-oxidierenden Archaea. Nitrospinae sind somit deutlich effizienter als die Archaea". Die geringere Anzahl lasse sich auch durch die sehr hohe Sterberate dieser Vielarbeiter erklären.

Darüber hinaus brachten die Wissenschafter zusätzliches Licht in die symbiotische Beziehung zwischen den Mikroorganismen: Während die Archaea zum Wachsen "fast ausschließlich Ammonium verwenden, nutzen Nitrospinae vor allem organischen Stickstoff, und zwar Harnstoff und Cyanat. So konkurrieren die beiden Mikroorganismen nicht um dieselbe Stickstoffquelle", so Michael Wagner von der Uni Wien. Die Nitrospinae spucken überdies offenbar nach der Aufnahme des organischen Stickstoffs wieder Ammonium und helfen so den Archaea.

Service: https://dx.doi.org/10.1038/s41467-020-14542-3

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