Seen sind nicht nur malerische Landschaften, die oft mit Freizeitaktivitäten und Biodiversität assoziiert werden, sondern sie spielen auch eine entscheidende Rolle im globalen Stickstoffkreislauf. Eine aktuelle Untersuchung, die von einem internationalen Forschungsteam unter der Leitung der Universität Basel sowie der Eawag durchgeführt wurde, zeigt, dass die Reinigungsfähigkeit von Seen, insbesondere ihre Fähigkeit, überschüssigen Stickstoff zu entfernen, durch den Klimawandel erheblich beeinträchtigt wird. Diese Veränderung könnte weitreichende Folgen für die Ökosysteme, insbesondere in Küstenregionen, haben.
Seen haben die natürliche Fähigkeit, Stickstoffverbindungen wie Nitrat und Ammoniak in Stickstoffgas (N₂) umzuwandeln. Dieser Prozess, bekannt als Denitrifikation, ist entscheidend, da er überschüssigen Stickstoff aus dem Wasser entfernt und somit die Wasserqualität verbessert. Schätzungen zufolge entfallen etwa 20 Prozent der natürlichen Stickstoffentfernung in Binnengewässern auf diesen biologischen Prozess. Die Studie, die in der Fachzeitschrift „Nature Microbiology“ veröffentlicht wurde, zeigt auf, dass die Denitrifikationsrate der Seen stark von saisonalen Schwankungen abhängt, die durch den Klimawandel beeinflusst werden.
Im Rahmen der Forschung wurden Proben aus dem Baldeggersee in der Zentralschweiz entnommen, einem typischen Beispiel für viele Seen in gemäßigten Breiten. Bei der Untersuchung stellte sich heraus, dass die Denitrifikationsaktivität im Baldeggersee während der Wintermonate, wenn sich die verschiedenen Wasserschichten vollständig vermischen, signifikant höher ist, als während der Sommermonate. In dieser Zeit erreicht die Denitrifikation nahezu 50 Prozent mehr Aktivität. Diese Erkenntnis wirft Fragen über die möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf die jahreszeitlichen Muster der Seen auf.
Die Forscher warnen, dass eine Erhöhung der globalen Temperaturen die winterliche Mischperiode um bis zu 27 Tage verkürzen könnte, was zu einer verringerten Stickstoffentfernung in den Seen führen würde. Cameron Callbeck, der Erstautor der Studie, erklärt: „Die Fähigkeit von Seen, Stickstoff zu eliminieren, ist stark saisonabhängig, und diese Saisonalität könnte durch den Klimawandel signifikant gestört werden.“ Dies könnte dazu führen, dass mehr Stickstoff in die Ozeane gelangt, was katastrophale Auswirkungen auf marine Ökosysteme haben könnte. Übermäßige Nährstoffe können Algenblüten in Küstengebieten fördern, die wiederum zu Sauerstoffmangel und sogenannten „Todeszonen“ führen, in denen das Leben kaum mehr möglich ist.
Die Studie unterstreicht die Bedeutung selbst geringfügiger Änderungen im saisonalen Mischverhalten der Seen, die weitreichende Auswirkungen auf den globalen Stickstoffkreislauf haben könnten. Prof. Dr. Moritz Lehmann, der Letztautor der Untersuchung, betont, dass die Ergebnisse der Studie die Komplexität und Fragilität der Ökosysteme in und um Seen verdeutlichen.
Um die Denitrifikation zu quantifizieren, verwendeten die Forscher zwei verschiedene Ansätze. Zum einen fügten sie Sedimentproben Stickstoffmoleküle mit dem seltenen Isotop 15N hinzu, um zu analysieren, wie viel des markierten Stickstoffs in Stickstoffgas umgewandelt wurde. Zum anderen entwickelten sie ein Modell, das den gesamten Baldeggersee einbezog, um eine umfassende Bilanz über den Stickstoffabbau zu erstellen. Die Übereinstimmung zwischen den Isotopenmessungen und den Modellvorhersagen bestätigte die hohe Denitrifikationsaktivität während der Wintermonate.
Zusätzlich entdeckten die Wissenschaftler ein interessantes mikrobielles Zusammenspiel im Sediment des Sees. Bestimmte Bakterien sind in der Lage, Chitin, ein widerstandsfähiges Molekül, das in den Hüllen von Zooplankton und abgestorbenen Algen vorkommt, abzubauen. Dieser Prozess erzeugt Verbindungen, die anderen Mikroorganismen als Energiequelle dienen, die wiederum für die Denitrifikation verantwortlich sind. So liefert der Abbau von Chitin gewissermaßen die notwendige Energie für die Stickstoffentfernung.
In zukünftigen Studien beabsichtigen die Forscher, die Auswirkungen dieser Prozesse auf die Produktion von klimaschädlichem Lachgas in den Seen zu untersuchen, was eng mit der Denitrifikation und anderen wichtigen Stickstoffumwandlungsprozessen zusammenhängt. Die Ergebnisse der aktuellen Studie sind ein wichtiger Schritt in Richtung eines besseren Verständnisses der komplexen Wechselwirkungen zwischen
