Lachgas, bekannt als N2O, ist ein Treibhausgas mit einem hohen Potenzial zur Erderwärmung, das in der Atmosphäre bis zu 298 Mal stärker wirkt als Kohlendioxid (CO2). Während es oft als Partydroge oder in der Zahnmedizin wahrgenommen wird, spielt es auch eine entscheidende Rolle im Klimawandel. Die Biogeochemie von Lachgas ist komplex, und die genauen Prozesse, die zu seiner Produktion im Ozean führen, sind bisher nur unzureichend erforscht. Dr. Claudia Frey, eine Wissenschaftlerin vom Departement für Umweltwissenschaften der Universität Basel, hat sich intensiv mit der Frage beschäftigt, unter welchen Bedingungen marine Mikroorganismen Lachgas erzeugen. Ihre jüngsten Erkenntnisse, die während einer Expedition im Pazifik gewonnen wurden, sind von großer Bedeutung für zukünftige Klimamodelle.
Die Konzentration von Lachgas in der Atmosphäre hat seit dem 19. Jahrhundert stetig zugenommen, was größtenteils auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen ist. Insbesondere die Nutzung fossiler Brennstoffe und die intensivierte Landwirtschaft, die große Mengen an stickstoffhaltigen Düngemitteln verwendet, tragen zur Anreicherung von Nitrat in Gewässern bei. Diese Stickstoffverbindungen gelangen in Flüsse, Seen und Ozeane, wo sie von Mikroben als Nahrungsquelle genutzt werden. Dabei entsteht Lachgas, das letztendlich in die Atmosphäre entweicht.
Ein besonderes Augenmerk der Forschung liegt auf den sauerstoffarmen Zonen im Ozean, in denen die Produktion von Lachgas besonders hoch ist. In diesen Gebieten leben spezifische mikrobielle Gemeinschaften, die in der Lage sind, Nitrat zur Energiegewinnung in Lachgas umzuwandeln. Um die genauen Abläufe in diesen Regionen zu untersuchen, begab sich Dr. Frey auf eine sechswöchige Forschungsreise entlang der Küsten Kaliforniens und Mexikos, wo sich einige der größten sauerstoffarmen Zonen des Pazifiks befinden. Während dieser Expedition sammelte sie in verschiedenen Wassertiefen Hunderte von Proben und führte an Bord des Forschungsschiffs zahlreiche Analysen durch.
Die Bedingungen an Bord waren herausfordernd, da die Proben unter Ausschluss von Sauerstoff und bei kühlen Temperaturen untersucht werden mussten, während das Schiff durch tropische Gewässer navigierte. Trotz dieser Schwierigkeiten konnten die Forscher interessante Ergebnisse erzielen. Eine der überraschendsten Erkenntnisse war, dass die Umwandlung von Nitrat in Lachgas nicht nur bei extrem niedrigen Sauerstoffkonzentrationen erfolgt, sondern auch in höheren Konzentrationen, wenn ausreichend organisches Material vorhanden ist. Dies steht im Widerspruch zu früheren Annahmen, die davon ausgegangen waren, dass der Prozess nur unter sehr spezifischen Bedingungen abläuft.
Zusätzlich stellte sich heraus, dass die Mikroben in diesen sauerstoffarmen Zonen den gesamten mehrstufigen Stoffwechselweg vom Nitrat bis zum Lachgas bevorzugen, anstatt auf eine Abkürzung zu wechseln, wenn ein erforderliches Zwischenprodukt vorhanden ist. Diese Erkenntnisse führen zu einer grundlegenden Neubewertung der mikrobiellen Prozesse, die zur Lachgasproduktion beitragen.
Die gewonnenen Daten sind nicht nur für das Verständnis lokaler Ökosysteme von Bedeutung, sondern haben auch weitreichende Implikationen für die globale Klimaforschung. Dr. Frey hat die neuen Erkenntnisse genutzt, um ein Modell zu entwickeln, das die Dynamik in sauerstoffarmen Zonen besser beschreibt. Dieses Modell berücksichtigt nun auch, dass das Vorhandensein von organischem Material die Fähigkeit der Mikroben erhöht, Lachgas zu produzieren, und somit die Gebiete, in denen diese Produktion stattfinden kann, ausweitet.
Für die Klimaforschung ist es von zentraler Bedeutung, die Vorgänge in den Ozeanen zu verstehen, insbesondere da sie etwa zwei Drittel der Erdoberfläche bedecken. Wenn der Mensch weiterhin große Mengen an Stickstoff in diese Gewässer einbringt, kann dies weitreichende Folgen für das globale Klima haben. Es ist daher unerlässlich, die Mechanismen hinter der Lachgasproduktion im Ozean weiter zu erforschen, um genauere Vorhersagen über zukünftige Klimaveränderungen treffen zu können. Dr. Freys Forschung ist ein Schritt in die richtige Richtung und zeigt, wie wichtig die Meeresbiologie für das Verständnis des Klimawandels ist.
