Der Klimawandel hat weitreichende Konsequenzen für die Umwelt, darunter auch die Funktionsweise von Seen, die eine bedeutende Rolle im globalen Stickstoffkreislauf spielen. Eine aktuelle Studie, geleitet von Wissenschaftlern der Universität Basel und der Eawag, zeigt, dass die Fähigkeit von Seen, überschüssigen Stickstoff aus dem Wasser zu entfernen, durch steigende Temperaturen beeinträchtigt wird. Dies könnte nicht nur Auswirkungen auf die Binnengewässer selbst, sondern auch auf die angrenzenden Küstenökosysteme der Meere haben.
Seen sind nicht nur Lebensräume für viele Tierarten wie Fische und Frösche und beliebte Erholungsorte für Menschen, sondern sie fungieren auch als natürliche Filter im Ökosystem. Mikroben im Wasser sind dafür verantwortlich, Stickstoffverbindungen wie Nitrat und Ammoniak in Stickstoffgas (N₂) umzuwandeln, das dann in die Atmosphäre entweicht. Dieser Prozess, bekannt als Denitrifikation, trägt dazu bei, den Stickstoffgehalt im Wasser zu regulieren. Schätzungen zufolge entfallen etwa 20 Prozent der natürlichen Stickstoffentfernung in Binnengewässern auf diesen biologischen Prozess.
In der besagten Studie wurde der Baldeggersee im luzernischen Seenland untersucht, ein typischer See, dessen Wasser sich einmal jährlich vollständig durchmischt. Die Forscher fanden heraus, dass die Aktivität der Denitrifikation eng mit der saisonalen Durchmischung des Wassers verbunden ist. Besonders während des Winters, wenn die drei Wasserschichten des Sees – das sauerstoffreiche Oberflächenwasser, die Übergangszone und das kalte, sauerstoffarme Tiefenwasser – sich vermischen, wird eine signifikante Zunahme der Denitrifikationsrate beobachtet. Diese Aktivität kann in dieser Jahreszeit fast 50 Prozent höher sein als während der Sommermonate.
Die Herausforderung liegt jedoch darin, dass der Klimawandel diese winterlichen Mischperioden verkürzen könnte. Prognosen zufolge könnte sich die Zeitspanne, in der diese Mischphase stattfindet, um bis zu 27 Tage verringern. Dies hätte zur Folge, dass auch die Fähigkeit der Seen, Stickstoff zu entfernen, abnimmt. Cameron Callbeck, der Erstautor der Studie, betont, dass die Denitrifikation besonders im Winter stattfindet, die genauen Mechanismen jedoch noch nicht vollständig verstanden sind.
Wenn Seen nicht in der Lage sind, Stickstoff zurückzuhalten und abzubauen, gelangt dieser über Flüsse in die Ozeane. Die Konsequenzen sind gravierend: Übermäßiger Stickstoff kann zu Algenblüten in Küstenregionen führen, die wiederum Sauerstoffmangel in den Gewässern verursachen und sogenannte „Todeszonen“ schaffen, die empfindliche Ökosysteme gefährden. Prof. Dr. Moritz Lehmann, der Letztautor der Studie, hebt hervor, dass selbst geringfügige Veränderungen im saisonalen Durchmischungsrhythmus von Seen signifikante Auswirkungen auf den Stickstoffkreislauf sowohl auf lokaler als auch auf globaler Ebene haben können.
Um die Denitrifikation im Baldeggersee zu untersuchen, kombinierten die Forscher verschiedene Methoden. Sie verwendeten Sedimentproben, die mit Stickstoffmolekülen des seltenen Isotops 15N angereichert wurden, um die Umwandlungsrate in Stickstoffgas zu messen. Parallel dazu erstellten sie ein Modell des gesamten Sees, um den Gesamtstickstoffabbau zu quantifizieren. Die Ergebnisse der Isotopenmessungen stimmten mit den Modellberechnungen überein, was es den Wissenschaftlern ermöglichte, zuverlässige Prognosen über den Stickstoffabbau im See zu erstellen.
Zusätzlich entdeckten die Forscher ein faszinierendes mikrobielles Teamwork im Sediment des Sees. Bestimmte Bakterien sind in der Lage, Chitin, ein robustes Molekül aus Zooplanktonhüllen und abgestorbenen Algen, abzubauen. Bei diesem Prozess entstehen Verbindungen, die anderen Mikroben als Energiequelle dienen. Diese Mikroben sind dann für die Denitrifikation verantwortlich und wandeln Nitrat in Stickstoffgas um, wodurch der See überschüssigen Stickstoff aus dem Wasser entfernt.
Die Forscher planen, weiter zu untersuchen, wie diese Prozesse möglicherweise auch die Produktion von klimaschädlichem Lachgas in Seen beeinflussen, was ebenfalls eng mit der Denitrifikation und anderen wichtigen Stickstoffumwandlungsprozessen zusammenhängt. Das Verständnis dieser komplexen Wechselwirkungen ist entscheidend, um die Auswirkungen des Klimawandels auf die Umwelt besser zu begreifen und geeignete Schutzmaßnahmen zu entwickeln.
