Flusseinträge unter globalem Wandel –
Erforschung des Schicksals der Amazonas Flussfahne

27.05.2021 – Im Zentrum des N-Kreislaufs

Obwohl ich Blogeinträge gelesen, Feldarbeiten in aquatischen Systemen durchgeführt und von großen Forschungsexpeditionen gehört habe, hätte mich nichts auf diese Erfahrung vorbereiten können. 52 Tage später kann ich nun sagen, dass ich wirklich verstehe, wie Forschung im offenen Ozean durchgeführt wird. Nach mehreren Wochen der Probenahme, um niedrig- und hochauflösende Profile der Wassersäule und Ratenmessungen zu erhalten, fühle ich mich ein wenig erschöpft, aber gleichzeitig auch stolz und schwindlig vor Aufregung.

Der marine Stickstoffkreislauf ist eine faszinierende Mischung aus Reaktionen und Prozessen. Nachdem er vom Phytoplankton verbraucht und an höhere trophische Ebenen im Zooplankton und Mesozooplankton weitergegeben wurde, wohin geht der ganze Stickstoff? Wie schließt sich der Kreis? Um diese Fragen zu beantworten, ist es interessant, etwas tiefer zu gehen und zu betrachten, was passiert, wenn alle Organismen, die Stickstoff verbraucht haben, sterben und langsam durch die Wassersäule zu sinken beginnen. Das Licht wird immer schwächer und verhindert das Wachstum des Phytoplanktons, aber nicht alles ist dort leblos und inaktiv, ganz im Gegenteil! Zusätzlich zu all den Tieren, die sich von abgestorbenem Material ernähren, vermehren sich Hunderte von Milliarden von Bakterien, die die komplexe, absinkende organische Materie in einfachere Stickstoffarten umwandeln.

Zuerst wäre da eine Gruppe von Bakterien die organische Substanz in Ammonium (NH₄⁺) umwandelt, durch einen Prozess, der Ammonifikation genannt wird. Dann übernehmen zwei andere Bakteriengruppen die weitere Arbeit und wandeln mit Hilfe von Sauerstoff NH₄⁺ in (Nitrit) NO₂^- und NO₂^- in (Nitrat) NO₃^- um. Dieser zweistufige Umwandlungsprozess von NH₄⁺ zu NO₃^- wird Nitrifikation genannt. Wenn der größte Teil des Sauerstoffs verbraucht ist, können diese Organismen nicht mehr leben. Eine andere Art von Bakterien kann jedoch eine breite Palette anderer Moleküle nutzen, um in dieser anoxischen also sauerstofffreien Umgebung zu überleben, und das am einfachsten zu nutzende ist NO₃^-. Der Verbrauch von NO₃^-, umgewandelt in N₂, ist ein Prozess, der Denitrifikation genannt wird. Der Kreislauf ist geschlossen!

Diese komplexe Kopplung zwischen Nitrifikation und Denitrifikation ist für uns äußerst interessant, da unser Stickstoffkreislauf nur dank all dieser Prozesse funktioniert. Aber die Messung der Nitrifikationsraten ist eine sehr harte Arbeit. Nach stundenlanger Probenahme allein an der CTD hatte Noémie endlich ihre Proben, aber die Arbeit hatte noch nicht einmal begonnen. Nachdem sie angereichertes ¹⁵NH₄⁺ in ihre Proben injiziert hatte, um zu prüfen, wie viel ¹⁵NO₃^- durch die Nitrifikation gebildet wird, musste sie hinunter in den Kühlraum. Dieser Raum war so eingerichtet, dass er die eiskalten und dunklen Bedingungen simulierte, die am Meeresboden herrschen, woher die meisten ihrer Proben stammten. Dann folgten stundenlanges Filtrieren, allein mit ihren Proben und Gedanken. Niemand kam jemals, um nach ihr zu suchen, aber sie machte dennoch ihre Arbeit und hoffentlich werden die Ergebnisse aus dem Massenspektrometer diese Einsamkeit wert sein.

Ein weiterer Grund, warum Nitrifikation und Denitrifikation so wichtig sind, ist Lachgas (N₂O), und Emmas Ziel ist es, die wichtigsten Kontrollen der N₂O-Produktionsprozesse zu bestimmen, da diese Spezies während der Nitrifikation und Denitrifikation produziert und verbraucht wird. N₂O ist ein Spurenbestandteil der Atmosphäre, aber seine Konzentration hat im letzten Jahrhundert zugenommen (IPCC 2013). Es ist in der Troposphäre stabil, mit einer Lebensdauer von bis zu 120 Jahren, und mischt sich in die Stratosphäre, wo es photochemisch zu Stickstoffoxid (NO) zersetzt wird. NO wiederum ist an der katalytischen Zerstörung von Ozon beteiligt, was N₂O zu einer wichtigen ozonzerstörenden Chemikalie macht. Mit einem globalen Erwärmungspotenzial, das auf einer 100-Jahres-Skala etwa 300-mal größer ist als das von CO₂, ist N₂O eine wichtige Komponente des globalen Wandels in der nahen Zukunft, und der offene Ozean ist für bis zu ~35 % der globalen N₂O-Emissionen verantwortlich. Es ist nichts über die Prozesse der N₂O-Akkumulation und dem N₂O-Verbrauch entlang des Süßwasser-Meeres-Kontinuums in der Amazonas-Fahne bekannt.

An jeder Station hat Emma das Wasser aus der CTD-Rosette in Glas-Serumflaschen oder in Kanister abgefüllt. Zur Bestimmung der natürlichen Häufigkeit von N₂O-Isotopen, die Aufschluss über die N₂O-Quellen geben können, wurde eine kleine Menge Natriumhydroxid zur Fixierung der Wasserproben direkt zugegeben. Zusätzlich zu diesen Experimenten wurden auch Proben für die N₂O-Produktionsraten genommen. Die Proben wurden mit verschiedenen Tracern, wie ¹⁵NH₄ + ¹⁴NO₂, ¹⁵NO₂ + ¹⁴NH₄, ¹⁵NO₃ + ¹⁴NO₂ or ¹⁵N-AA + ¹⁴NO₂ behandelt. Die Glas-Serumflaschen wurden für 24 h inkubiert, unterbrochen von Sauerstoffmessungen zu verschiedenen Zeitpunkten. Die Inkubation wurde unter Dunkel- und Lichtbedingungen und bei in situ Temperatur durchgeführt. An den verschiedenen Probenahmezeitpunkten wurde eine Quecksilberverbindung zugegeben, um jegliche biologische Aktivität zu stoppen. Zu Hause im Labor in Basel werden nun die Proben gemessen werden.

Der Kreis hat sich geschlossen! Es war sehr aufregend, endlich Proben zu nehmen, Experimente zu machen, und wir hatten großes Glück, dass wir die erstaunliche Gelegenheit hatten, zur Amazonas-Flussfahne zu gehen. Es war anstrengend und zu sagen, dass wir uns jetzt ausruhen können, wäre eine Lüge. Was den Stickstoff betrifft, so müssen wir den Kreis unserer Expedition schließen und dafür fangen wir an, Sachen zu packen, Labore zu reinigen und Berichte zu schreiben. Genug, um uns zu beschäftigen, bis wir wieder an Land sind!

 

Text von Burtscher E., Choisnard N., Voss M. (IOW) | Fotos zum Vergrößern anklicken