Wissenschaftler verwenden Kohlenstoff, um eine neue Stickstoffquelle im offenen Ozean zu entdecken

Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und der UC Santa Cruz haben eine zuvor angenommene Klasse der Stickstofffixierung im Oberflächenozean entdeckt.

Stickstoffknappheit begrenzt das Wachstum von Meeresphytoplankton, einer weltweit wichtigen Kohlenstoffsenke und der Grundlage des marinen Nahrungsnetzes. Stickstoff, der von Phytoplankton verwendet werden kann, hat im Allgemeinen eine sehr geringe Konzentration in der sonnenbeschienenen Schicht des offenen Ozeans, aber die beiden Hauptquellen für neuen Stickstoff in den Oberflächenozeanen sind Nitrat, das aus der Tiefe aufsteigt, und die biologische Stickstoff-„Fixierung“ von N2 Gas aus der Atmosphäre durch einige Cyanobakterien.

In neuen Forschungsergebnissen, veröffentlicht in Naturkommunikationfand das Team heraus, dass eine alternative Klasse von Stickstofffixierern, die nicht photosynthetisch sind, mit Meerespartikeln in Verbindung gebracht werden und Stickstoff in einigen Teilen des Ozeans binden.

„Seit über drei Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass diese alternative Klasse stickstofffixierender Organismen in den Oberflächenozeanen weit verbreitet ist, aber uns fehlten bis jetzt direkte Beweise dafür, dass sie tatsächlich Stickstoff fixieren können“, sagte die Hauptautorin und ehemalige LLNL-Absolventin Katie Harding. Harding war Doktorand an der UC Santa Cruz im Labor von Jonathan Zehr, der Jahrzehnte damit verbracht hat, die Stickstofffixierung im Meer zu studieren.

Der LLNL-Wissenschaftler Xavier Mayali sagte, es sei eine Herausforderung, diese Aktivität zu finden.

„Wir haben es gefunden, weil wir mit unserem nanoSIMS-Instrument einzelne Zellen auf Meerespartikeln lokalisieren konnten“, sagte Mayali. „Die Stickstofffixierer, die nicht photosynthetisch sind, scheinen also nicht frei schwebend zu sein, sondern sind an Meeresschutt gebunden, der schließlich in die Tiefsee sinkt.“

In der neuen Forschung verwendeten die Teammitglieder eine kombinierte Kohlenstoff (C)- und Stickstoff (N)-Markierung mit seltenen stabilen Isotopen, damit sie Organismen, die sowohl N als auch C einbauten (wie photosynthetische N-fixierende Cyanobakterien), von denen trennen konnten, die nur N einbauten ( nicht-cyanobakterielle N-fixierende Organismen).

Das nanoSIMS-Instrument am LLNL ermöglicht die Quantifizierung der seltenen C- und N-Isotope auf Einzelzellebene und konnte die hypothetischen N-Fixierer nachweisen, nachdem die Proben auf See mit markiertem N2-Gas und CO2 inkubiert wurden.

Welche Bedeutung dieser Befund für die Gesundheit der Ozeane hat, ist noch nicht bekannt.

„Mehr Wachstum durch Phytoplankton, das teilweise durch Stickstoffzufuhr angetrieben wird, könnte dem Meeresleben zugute kommen“, sagte Mayali. „Wenn sinkende Meerespartikel durch diese Aktivität mehr Stickstoff enthalten, könnten sie möglicherweise nahrhafter für die in der Tiefsee lebenden Organismen werden.“

Ein besseres Verständnis der Quellen von N im Ozean wirkt sich auch auf die Fähigkeit aus, die C-Aufnahme im Ozean vorherzusagen, da marines Phytoplankton im Allgemeinen durch N begrenzt ist. Wenn es genug N hat, wird es mehr C aus der Atmosphäre aufnehmen. Obwohl die neu entdeckten Organismen nicht photosynthetisch sind, könnte das N, das sie fixieren, später von Organismen verwendet werden, die C fixieren. Auch das Absinken von Meeresschutt, wo diese N-Fixierer gefunden wurden, ist einer der Hauptmechanismen von natürliche C-Sequestrierung in den Ozeanen.

Der Ansatz der dualen Isotopenmarkierung findet Anwendung in anderen Bereichen wie der C-Speicherung in Böden und Biokraftstoffen. „Wir können diese Methode verwenden, um nach diesen Arten von Organismen in Böden und in Biokraftstoff produzierenden Algenkulturen zu suchen, insbesondere in N-armen Umgebungen, in denen N-fixierende Organismen für die Gesundheit des Ökosystems wichtig sein werden“, sagte Mayali.