Ammo­ni­um-oxi­die­ren­de Mikro­or­ga­nis­men von hoher Wich­tig­keit für Seen

Trink­was­ser­ver­sor­gung, Bin­nen­fi­sche­rei und als Nah­erho­lungs­ge­bie­te: Für all das sind Seen sehr wich­tig. Eine Anrei­che­rung von Ammo­ni­um wür­de die­se Öko­sys­tem­dienst­leis­tun­gen gefähr­den. Gleich­zei­tig ist Ammo­ni­um ein wich­ti­ger Bestand­teil land­wirt­schaft­li­cher Dün­ge­mit­tel, wes­halb sei­ne Kon­zen­tra­tio­nen in der Umwelt dra­ma­tisch zuge­nom­men hat und der glo­ba­le Stick­stoff­kreis­lauf als Gan­zes aus dem Gleich­ge­wicht gera­ten ist. Die Über­ver­sor­gung mit Nähr­stof­fen (zum Bei­spiel Stick­stoff) in Gewäs­sern führt bei­spiels­wei­se zu einer Stei­ge­rung des Algen­wachs­tums, somit auch zu Sauer­stoff­man­gel und in der Fol­ge zu lebens­feind­li­chen Bedin­gun­gen für die Pflan­zen- und Tierwelt.
Nähr­stoff­ar­me Seen mit gro­ßen Was­ser­kör­pern – wie der Boden­see und vie­le ande­re vor­al­pi­ne Seen – beher­ber­gen in ihrer Tie­fe gro­ße Popu­la­tio­nen von Archaea, einer spe­zi­el­len Grup­pe von Mikro­or­ga­nis­men. Man nahm bis­her nur an, dass die­se Archaea an der Umwand­lung von Ammo­ni­um zu Nitrat betei­ligt sind, das in Sedi­men­ten und ande­ren sauer­stoff­ar­men Habi­ta­ten wei­ter in harm­lo­sen Stick­stoff (N2) – ein Haupt­be­stand­teil der Luft – umge­wan­delt wird.
Ein Team von Umwelt­mi­kro­bio­lo­gen der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Braun­schweig, des Leib­niz-Insti­tuts DSMZ-Deut­sche Samm­lung von Mikro­or­ga­nis­men und Zell­kul­tu­ren GmbH, des Max-Planck-Insti­tuts für mari­ne Mikro­bio­lo­gie und der Uni­ver­si­tät Kon­stanz konn­te erst­ma­lig nach­wei­sen, dass die­se Archaea tat­säch­lich an der Ammo­ni­um­oxi­da­ti­on betei­ligt sind. Sie konn­ten die­se Akti­vi­tät in einem der größ­ten Seen Euro­pas, dem Boden­see, quantifizieren.

Wie Mikro­ben den Stick­stoff­ge­halt in Süß­was­ser­öko­sys­te­men regulieren

Unser Pla­net ist zu einem Groß­teil mit Was­ser bedeckt, jedoch sind davon nur 2,5 Pro­zent Süß­was­ser. Rund 80 Pro­zent die­ses Süß­was­sers ste­hen dem Men­schen nicht zur Ver­fü­gung, da es in Glet­schern und den Pol­kap­pen gespei­chert ist. In der Euro­päi­schen Uni­on stam­men etwa 36 Pro­zent des Trink­was­sers aus Ober­flä­chen­ge­wäs­sern. Daher ist es wich­tig zu ver­ste­hen, wie die­se Öko­sys­tem­leis­tung durch Umwelt­pro­zes­se wie die soge­nann­te mikro­biel­le Nitri­fi­ka­ti­on auf­recht­erhal­ten wird. Die Nitri­fi­ka­ti­on ver­hin­dert eine Anrei­che­rung von Ammo­ni­um und wan­delt es über Nitrit zu Nitrat um. Obwohl die Nitri­fi­ka­ti­on die Men­ge an anor­ga­ni­schem Stick­stoff (N) in Süß­was­ser­öko­sys­te­men nicht direkt ver­än­dert, stellt sie eine ent­schei­den­de Ver­bin­dung zwi­schen der Mine­ra­li­sie­rung von orga­ni­schem Stick­stoff oder der Ammo­ni­um­ver­schmut­zung und sei­ner letzt­end­li­chen Umwand­lung zu harm­lo­sem Stick­stoff (N2) durch anae­ro­be Pro­zes­se dar.
Die nun publi­zier­ten Ergeb­nis­se zei­gen, dass im Boden­see eine ein­zel­ne Art von Archaea bis zu 1760 Ton­nen N‑Ammonium pro Jahr umsetzt. Das ent­spricht elf Pro­zent der jähr­li­chen von Algen pro­du­zier­ten Stick­stoff-Bio­mas­se. Dabei bau­en die neu ent­deck­ten Archaea eine enor­me Bio­mas­se in der Tie­fe auf, die zwölf Pro­zent des jähr­lich vom pflanz­li­chen Plank­ton pro­du­zier­ten orga­ni­schen Koh­len­stoffs entspricht.

Neu­ar­ti­ge Archaea-Art für Ammo­ni­um­um­wand­lung verantwortlich

Mit Hil­fe moderns­ter Metho­den aus der Umwelt­mi­kro­bio­lo­gie und Bio­geo­che­mie iden­ti­fi­zier­ten die Wissenschaftler*innen eine neu­ar­ti­ge Archaea-Art, Can­di­da­tus Nitro­sopu­mi­lus lim­ne­ti­cus, die für die Öko­sys­tem­dienst­leis­tung der Ammo­ni­um­oxi­da­ti­on im Boden­see ver­ant­wort­lich ist. Die­se Art bil­det mit bis zu 39 Pro­zent aller Mikro­or­ga­nis­men rie­si­ge Popu­la­tio­nen im Tie­fen­was­ser die­ses gro­ßen Sees mit einer Flä­che von 536 Qua­drat­ki­lo­me­tern aus.
Mit­tels Meta­ge­no­mik und Meta­tran­skrip­to­mik konn­te das Genom die­ses neu­ar­ti­gen Mikro­or­ga­nis­mus aus der Umwelt gewon­nen und sei­ne Akti­vi­tät über die Jah­res­zei­ten ver­folgt wer­den. Auf sta­bi­len Iso­to­pen basie­ren­de Akti­vi­täts­mes­sun­gen erga­ben, dass die­se ein­zel­ne Art für die Umwand­lung von Ammo­ni­um im Bereich von über 1000 Ton­nen ver­ant­wort­lich ist. Der­zeit bleibt noch unge­klärt, wie die­ser neu ent­deck­te und in gro­ßen Bin­nen­ge­wäs­sern weit­ver­brei­te­te Mikro­or­ga­nis­mus auf Ver­än­de­run­gen durch die Kli­ma­er­wär­mung reagie­ren wird.