Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie haben herausgefunden, dass Harnstoff eine signifikante Energiequelle für bestimmte Mikroben im offenen Ozean darstellt, insbesondere für ammoniak-oxidierende Archaeen (AOA). Während AOA in Küstengewässern hauptsächlich Ammonium als Nahrungsquelle nutzen, zeigt diese neue Studie, dass organischer Stickstoff, wie Harnstoff, eine viel wichtigere Rolle für die Produktivität der Ozeane spielt als bisher angenommen. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht und bringen frischen Wind in unser Verständnis der Nährstoffdynamik in marinen Ökosystemen.
Ammoniak-oxidierende Archaeen sind einige der häufigsten Mikroorganismen im Meer und spielen eine zentrale Rolle im Stickstoffkreislauf. Trotz ihrer weiten Verbreitung blieb lange unklar, wie sie in nährstoffarmen Gewässern gedeihen können, wo Ammonium – ihre Hauptnahrungsquelle – oft in geringen Mengen vorkommt. Die aktuelle Studie der Bremer Forscher bietet nun Antworten auf diese Fragen und zeigt, dass einige AOA in der Lage sind, Harnstoff, eine verbreitete organische Stickstoffverbindung, als alternative Energie- und Stickstoffquelle zu verwenden.
Das Forschungsteam analysierte zwei Hauptgruppen von AOA im Ozean: Nitrosopumilus, die in nährstoffreichen Küstengebieten vorkommen, und Nitrosopelagicus, die im offenen Ozean dominieren. Die Studie stützt sich auf Daten, die während Expeditionen in drei unterschiedlichen marinen Regionen gesammelt wurden: dem ammoniumreichen Golf von Mexiko, den nährstoffarmen Gewässern des Angola-Wirbels und dem Schwarzen Meer, wo in unterschiedlichen Wassertiefen variierende Ammoniumkonzentrationen vorliegen.
Die Ergebnisse zeigen, dass Nitrosopumilus in erster Linie Ammonium nutzt und Harnstoff nur als Nahrungsquelle in Betracht zieht, wenn Ammonium nicht verfügbar ist. „Diese Gattung ist optimal auf das Leben in ammoniumreichen Küstengewässern abgestimmt und kann schnell wachsen, wenn Ammonium vorhanden ist“, erklärt Jördis Stührenberg, die Erstautorin der Studie. Im Gegensatz dazu verfügt Nitrosopelagicus über eine flexiblere Ernährungsstrategie. Diese Mikroben können sowohl Ammonium als auch Harnstoff effizient nutzen und ihre Wachstumsrate sogar verdoppeln, wenn beide Nährstoffe gleichzeitig verfügbar sind.
Die Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Harnstoff und möglicherweise auch andere organische Stickstoffverbindungen eine größere Rolle in der Ozeanproduktivität spielen, als bisher angenommen. Laut Hannah Marchant, einer Mitautorin der Studie, könnte dies bedeuten, dass die Nitrifikationsraten in nährstoffarmen Regionen des Ozeans möglicherweise unterschätzt werden. Die Erkenntnisse dieser Forschung haben weitreichende Implikationen für unser Verständnis des globalen Nährstoffkreislaufs.
Um genau zu bestimmen, welche AOA welche Stickstoffquellen nutzen, entwickelten die Forscher spezielle, hochspezifische Sonden, die es ihnen ermöglichten, Nitrosopumilus und Nitrosopelagicus visuell voneinander zu unterscheiden. Dies war notwendig, da herkömmliche molekulare Werkzeuge nicht ausreichten, um die beiden Gruppen präzise zu differenzieren. Durch den Einsatz von NanoSIMS-Bildgebung konnten die Wissenschaftler beobachten, wie einzelne Zellen Stickstoff verwerten und welche Rolle sie in gemischten Gemeinschaften, wie denen im Schwarzen Meer, spielen.
Die Ergebnisse belegen, dass Nitrosopumilus hauptsächlich von Ammonium lebt, während Nitrosopelagicus sowohl Ammonium als auch Harnstoff verwendet. Diese Flexibilität könnte für das Überleben und die Anpassungsfähigkeit dieser Mikroben in variierenden Umgebungen entscheidend sein.
Die Bedeutung dieser Entdeckungen erstreckt sich über die Mikrobenebene hinaus, da AOA – insbesondere Nitrosopelagicus – eine entscheidende Rolle im Stickstoffkreislauf der Ozeane spielen. Ihr Einfluss auf die Nährstoffverfügbarkeit hat weitreichende Auswirkungen auf die Primärproduktion im offenen Ozean und den globalen Kohlenstoffkreislauf. Marcel Kuypers, der Letztautor der Studie, betont die Notwendigkeit, die Mechanismen, die das Wachstum dieser Mikroorganismen antreiben, besser zu verstehen, um die komplexen Wechselwirkungen im marinen Ökosystem zu entschlüsseln.
Insgesamt zeigt diese Forschung,
