Mikrobiologen zeigen, wie wichtig Ammonium-oxidierende Mikroorganismen für Deutschlands größten See sind

Eine neue weltweit verbreitete Art von Archaea setzt Tonnen von Ammonium
in einem der größten Seen Europas um. Damit tragen die Mikroorganismen zur
Sicherheit der Trinkwasserversorgung von über fünf Millionen Menschen bei.
Das konnten Wissenschaftler*innen aus Braunschweig, Bremen und Konstanz
nachweisen. Ihre Ergebnisse haben sie jetzt in der Fachzeitschrift „The
ISME Journal“ der Nature Publishing Group veröffentlicht.

Pressemitteilung der Technischen Universität Braunschweig und des Leibniz-
Instituts DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH

Seen sind wichtig für die Trinkwasserversorgung, Binnenfischerei und als
Naherholungsgebiete. 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.