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.