Durch menschliche Aktivitäten wie die Landwirtschaft gelangen große Mengen Stickstoff über Flüsse und Grundwasser ins Meer. Zu den Hauptquellen zählen Mist, Gülle und Jauche aus der Tierhaltung sowie stickstoffhaltige Kunstdünger für Wiesen und Felder. Das verändert die marinen Ökosysteme und ist langfristig ein Problem, wenn sich die Verschmutzung anhäuft und der Stickstoff-Kreislauf gestört wird. Doch es gibt Mikroorganismen im Ozean, die den Stickstoff auf natürliche Weise wieder entfernen können. Dafür nutzen sie einen Stoffwechselprozess namens Denitrifizierung, der Nitrat (NO3–) wieder zu molekularem Luftstickstoff (N2) umwandelt. Diese Reaktion ist meist nur dort möglich, wo es keinen Sauerstoff gibt.
Denitrifizierung geht auch auf Sand
Erste Beobachtungen deuteten jedoch darauf hin, dass ein solcher mikrobieller Stickstoffabbau auch in den gut durchlüfteten oberen Schichten von Sandstränden und sandigen Küstensedimenten abläuft, wo Sauerstoff reichlich vorhanden ist. Ob das stimmt und über welchen Mechanismus die Denitrifizierung an Stränden genau funktioniert, haben nun Biologen um Farooq Moin Jalaluddin vom Max-Planck-Institut (MPI) für Marine Mikrobiologie in Bremen untersucht. Dafür analysierten sie mithilfe von Fluoreszenzmarkierungen, welche Mikroorganismen auf Sandkörnern aus der Nordsee leben, wie viel Sauerstoff sie zur Verfügung haben und welche Stoffwechselwege sie nutzen. „Zehntausende Mikroben leben auf jedem einzelnen Sandkorn. Wir konnten Sauerstoff verbrauchende und Sauerstoff produzierende Gruppen von Mikroben unterscheiden, die nur wenige Mikrometer voneinander entfernt waren“, sagt Jalaluddin.
Dabei stellten die Forschenden fest: Bestimmte Gruppen von Mikroben, die auf der Oberfläche der Sandkörner leben, verbrauchen mehr Sauerstoff als durch das Wasser nachgeliefert wird. Sie verzehren dadurch den gesamten Sauerstoff in ihrer Umgebung. Dadurch entstehen in ihrer direkten Nachbarschaft sauerstofffreie Mikroumgebungen, sogenannte anoxische Bereiche, in denen andere sandlebende Mikrobenarten die Denitrifizierung ausführen können. Demnach läuft der Prozess des mikrobiellen Stickstoffabbaus am Strand unter bestimmten Umständen genauso ab wie im Meer. Darüber hinaus fanden die Biologen aber auch Mikrobenarten, die in Gegenwart von Sauerstoff Denitrifizierung betreiben können. Diese trugen aber vergleichsweise wenig zum Stickstoffabbau an sandigen Küsten bei: „Unsere Modellsimulationen zeigen, dass die anaerobe Denitrifizierung in diesen anoxischen Bereichen bis zu 74 Prozent der gesamten Denitrifizierung in sauerstoffhaltigen Sanden ausmachen kann“, sagt Jalaluddin.
