Geringere Stickstoffbildung im Meer in früheren Warmzeiten

Fossile Planktonschalen zeigen, dass die Stickstofffixierung durch Mikroorganismen in den Ozeanen vor drei Millionen Jahren unter wärmeren klimatischen Bedingungen zurückging.

• Vor etwa 3 Millionen Jahren: Im warmen späten Pliozän ging im tropischen Atlantik die Stickstofffixierung deutlich zurück, wodurch sich im Pazifik die Denitrifikation verlangsamte.
• Vergleich mit heute: Das warme Klima im späten Pliozän mit Temperaturen, die höher waren als heute, ist geologisch mit der gegenwärtigen Erwärmung vergleichbar.
• Blick in die Zukunft: Die neue Studie legt nahe, dass unter zukünftigen wärmeren Klimabedingungen die Gesamt-Stickstoffbilanz im Meer stabil bleibt.
• Foraminiferen als Klimaarchiv: Stickstoffisotope in Foraminiferen-Skeletten aus Bohrkernen aus dem tropischen Atlantik.

Stickstoff ist ein wichtiger Nährstoff, da er das Wachstum von Plankton antreibt, das die Grundlage des Nahrungsnetzes des Meeres bildet. Zwei gegensätzliche Prozesse bestimmen den globalen Stickstoffkreislauf: Bei der Stickstofffixierung wandeln Cyanobakterien im Wasser gelöstes Stickstoffgas (N₂) in eine biologisch verfügbare Form um. Dies geschieht vor allem in warmen, nährstoffarmen Oberflächengewässern. Im Atlantik findet fast 90 Prozent der Stickstofffixierung im tropischen Norden statt, was diese Region zu einem Schlüsselgebiet für das Verständnis des Prozesses macht. Bei der Denitrifikation wird Stickstoff in anderen Ozeangebieten aus dem Wasser zurück in die Atmosphäre abgeführt, wobei Nitrat von denitrifizierenden Bakterien wieder zu N₂-Gas umgewandelt wird. Dieser Prozess findet insbesondere in sauerstoffarmen Zonen statt, die heute im Pazifischen Ozean am weitesten verbreitet sind.

In früheren Studien zeigten Forschende des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPIC), dass die Denitrifikation in der Wassersäule – also dem Bereich zwischen der Wasseroberfläche und dem Meeresboden – unter früheren wärmeren Klimabedingungen weltweit abnahm (https://www.mpic.de/5260848/ocean-oxygenation). Bislang war jedoch unklar, ob und wie sich auch die Stickstofffixierung in wärmeren Perioden veränderte. Ein wichtiger Aspekt, da das Gleichgewicht zwischen beiden Prozessen bestimmt, wie viel Stickstoff für die biologischen Prozesse in den Ozeanen zur Verfügung steht.

Rekonstruierte Stickstofffixierungsrate

Eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung des MPIC konnte nun anhand von Bohrkernen aus dem Ozeansediment nachweisen, dass die natürliche Stickstofffixierung im tropischen Atlantik während des warmen späten Pliozäns deutlich zurückging und im kühleren Pleistozän wieder zunahm. Die Forschenden analysierten Stickstoffisotope in Schalen von Foraminiferen aus im tropischen Nordatlantik entnommenen Sedimentbohrkernen. Diese Foraminiferen lebten im Pliozän und frühen Pleistozän. Foraminiferen sind mikroskopisch kleine Lebewesen, die sich ideal zur Rekonstruktion vergangener Klimabedingungen und Meeresströmungen eignen. Die Fossilien diese Organismen, die während ihres Wachstums geringe Mengen Stickstoff in ihre Kalkskelette einbauen, lassen sich noch heute im Meeressediment finden. 

Phosphorreiches Meerwasser kurbelt Stickstofffixierung an 

Beim Vergleich der Stickstofffixierung aus dem Atlantik mit Werten der Denitrifikation aus dem Pazifik stellten die Forschenden fest, dass beide während des späten Pliozäns nachließen.

Sie führen dies auf den engen Zusammenhang beider Prozesse zurück: Wird Stickstoff durch Denitrifikation entfernt, reichert sich das verbleibende Meerwasser mit dem Nährstoff Phosphor an. Dieser überschüssige Phosphor wird dann durch Meeresströmungen verteilt und trägt dazu bei, dass in den nährstoffarmen Bereichen des Ozeans stickstofffixierende Organismen gedeihen können. 

Als sich die Denitrifikation im Pazifik während des Pliozäns verlangsamte, gelangte infolgedessen nach und nach auch weniger Phosphor in den Atlantik, was dazu führte, dass auch dort die Stickstofffixierung zurückging. Der Durch den gleichzeitigen Rückgang beider Prozesse schrumpften die wichtigste Stickstoffquelle und die wichtigste Stickstoffsenke des Ozeans gemeinsam. Die Gesamtmenge an Stickstoff im Ozean blieb jedoch relativ stabil. 

“Ob der Stickstoffkreislauf des Ozeans unter klimatischen Störungen im Gleichgewicht bleibt, wird seit Jahrzehnten diskutiert. Wir vermuten, dass sich beide Prozesse in einer wärmeren Zukunft verlangsamen werden, sodass der Ozean zwar weniger Stickstoff binden, aber auch weniger verlieren würde. Da sich diese Veränderungen weitgehend gegenseitig aufheben, könnte die gesamte Stickstoffbilanz des Ozeans relativ stabil bleiben, auch wenn die Menge der Nährstoffe, die einer bestimmten Region zugeführt wird, von der heutigen abweichen könnte“, sagt Maayan Yehudai, Postdoktorandin am Max-Planck-Institut für Chemie und Erstautor der jetzt in „Nature Communications“ veröffentlichten Studie.

Stickstofffixierung im Takt der Eiszeiten

Die Daten der Mainzer Forschenden zeigten ein zweites Muster. Nachdem die großen Eisschilde der Nordhalbkugel am Ende des Pliozäns vor etwa 2,8 Millionen Jahren zu wachsen begannen, stieg und sank die Stickstofffixierung in der Karibik synchron zu den etwa 41.000-jährigen Milanković-Zyklen. 

Die Milanković-Zyklen sind periodische Schwankungen der Umlaufbahn der Erde um die Sonne. Sie verändern die Menge und Verteilung der Sonnenenergie auf der Erde und bestimmen maßgeblich die Kalt- und Warmzeiten und den Rhythmus der Eiszeiten. 

Das Team bringt diesen natürlichen Rhythmus mit Veränderungen des Meeresspiegels in Verbindung: Demzufolge überflutete ein höherer Meeresspiegel während warmer Zwischeneiszeiten die Kontinentalschelfe. In diesen flach abfallenden, unter Wasser liegenden Bereichen des Festlandsbodens entzogen Mikroben im Sediment dem Wasser Stickstoff und ließen Phosphor zurück. Auch dadurch wurde lokal die Stickstofffixierung angekurbelt. Als der Meeresspiegel während der Eiszeiten sank und die Schelfe freilegte, schrumpfte diese Phosphorquelle wieder und die Stickstofffixierung ging zurück.

Ein anderer Atlantik heute

„Unsere Erkenntnisse helfen uns, die Mechanismen, die heute die Stickstofffixierung im Atlantik antreiben, in einen längerfristigen Kontext zu stellen“, sagt Alfredo Martínez-García, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Chemie und Ko-Autor der Studie. Jüngste Forschungen (https://www.mpg.de/25659684/the-driver-of-sargassum-blooms-in-the-atlantic-ocean ) seiner Gruppe zeigten, dass die Stickstofffixierung im Atlantik in den vergangenen Jahrzehnten durch Auftrieb im östlichen äquatorialen Atlantik angetrieben wurde. Dadurch wird phosphorreiches Wasser bereitgestellt, das von den Strömungen in die Karibik transportiert wird.

Die neue Studie zeigt, dass im wärmeren Pliozän hingegen die Stickstofffixierung nicht auf Veränderungen des äquatorialen Auftriebs zu reagieren schien, da das aufsteigende Wasser damals weitaus weniger überschüssigen Phosphor mitführte. Das bedeutet, dass sich die treibende Kraft, die die Stickstofffixierung im Atlantik steuert, zwischen wärmeren und kühleren Klimaphasen verschiebt. Der Mechanismus hängt also vom jeweiligen Klimazustand ab.

Der Stickstoffkreislauf des Ozeans ist ein hochsensibles und dynamisches System, wie die Studie zeigt. Er beeinflusst marine Ökosysteme und ist eng mit dem Klima verknüpft.

 

Pliozän

Das Pliozän ist ein geologisches Zeitalter, das vor etwa 5,33 Millionen Jahren begann und vor 2,58 Millionen Jahren endete und weltweit wärmer war als heute. Auf diese warme Klimaperiode folgte das kühlere Pleistozän, das durch abwechselnde Glazial- und Interglazialphasen gekennzeichnet war, bedingt durch die zyklische Bildung und das Verschwinden der Eisschilde der Nordhalbkugel.