Reduzierte Stickstofffixierung im Ozean während früherer Warmzeiten
Analysen fossiler Planktonschalen belegen, dass die Stickstofffixierung durch marine Mikroorganismen vor etwa drei Millionen Jahren, unter den klimatisch wärmeren Bedingungen des späten Pliozäns, signifikant abnahm.
Zentrale Erkenntnisse
- Vor rund drei Millionen Jahren verringerte sich im tropischen Atlantik die Stickstofffixierung deutlich, was im Pazifik eine Verlangsamung der Denitrifikation zur Folge hatte.
- Das Klima des späten Pliozäns war wärmer als das heutige und bietet geologische Parallelen zur aktuellen globalen Erwärmung.
- Die Untersuchung legt nahe, dass sich unter zukünftigen wärmeren Bedingungen die Gesamtstickstoffbilanz der Meere weitgehend stabil halten könnte.
- Foraminiferen-Schalen aus Sedimentbohrkernen des tropischen Atlantiks dienten als Archiv zur Rekonstruktion der Stickstoffisotopenverhältnisse.
Bedeutung des Stickstoffkreislaufs im Ozean
Stickstoff ist ein essenzieller Nährstoff, der das Wachstum von Plankton fördert und somit die Basis mariner Nahrungsketten bildet. Der globale Stickstoffkreislauf wird maßgeblich durch zwei Prozesse bestimmt:
- Stickstofffixierung: Cyanobakterien wandeln atmosphärisches Stickstoffgas (N₂) in biologisch verfügbare Formen um, vor allem in warmen, nährstoffarmen Oberflächengewässern. Im tropischen Nordatlantik erfolgen etwa 90 % der gesamten ozeanischen Stickstofffixierung.
- Denitrifikation: In sauerstoffarmen Zonen, besonders im Pazifik, wandeln Bakterien Nitrat zurück in N₂-Gas, das in die Atmosphäre entweicht.
Forschungsergebnisse zur Stickstofffixierung in der Vergangenheit
Eine internationale Forschergruppe unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPIC) untersuchte Sedimentbohrkerne aus dem tropischen Nordatlantik. Die Analyse von Stickstoffisotopen in Foraminiferen-Schalen, mikroskopisch kleinen Einzellern, zeigte, dass die Stickstofffixierung im warmen späten Pliozän abnahm und im kühleren Pleistozän wieder zunahm. Diese Organismen speichern während ihres Wachstums Stickstoffisotope in ihren Kalkschalen, die als Klimaarchive dienen.
Wechselwirkung zwischen Stickstofffixierung und Denitrifikation
Der Vergleich der Stickstofffixierung im Atlantik mit der Denitrifikation im Pazifik ergab, dass beide Prozesse im späten Pliozän zurückgingen. Die Forscher erklären dies durch den engen Zusammenhang beider Vorgänge:
- Reduzierte Denitrifikation führt zu einer Anreicherung von Phosphor im Meerwasser.
- Phosphor wird durch Meeresströmungen verteilt und fördert das Wachstum stickstofffixierender Organismen in nährstoffarmen Regionen.
- Eine Abnahme der Denitrifikation im Pazifik verringerte die Phosphorzufuhr in den Atlantik, was dort die Stickstofffixierung reduzierte.
Durch den gleichzeitigen Rückgang von Stickstofffixierung und Denitrifikation blieben die Gesamtstickstoffmengen im Ozean relativ konstant.
Ausblick auf zukünftige Klimabedingungen
Die Studie deutet darauf hin, dass sich bei einer fortschreitenden Erwärmung beide Prozesse verlangsamen könnten, wodurch der Ozean weniger Stickstoff aufnimmt, aber auch weniger verliert. Diese gegenseitige Abschwächung könnte die Gesamtstickstoffbilanz stabil halten, obwohl sich die Nährstoffverteilung regional verändern kann. Dies erklärt Maayan Yehudai, Postdoktorandin am MPIC und Erstautorin der Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde.
Einfluss der Eiszeiten auf die Stickstofffixierung
Die Daten zeigen zudem, dass die Stickstofffixierung in der Karibik nach Beginn des Wachstums der nördlichen Eisschilde vor etwa 2,8 Millionen Jahren in einem Rhythmus von etwa 41.000 Jahren schwankte. Dieser Zyklus korreliert mit den Milanković-Zyklen, die durch Veränderungen der Erdumlaufbahn die Sonneneinstrahlung und damit Kalt- und Warmzeiten beeinflussen.
Ein höherer Meeresspiegel während warmer Zwischeneiszeiten überflutete Kontinentalschelfe, wodurch Mikroorganismen im Sediment Stickstoff entzogen und Phosphor zurückließen. Dies förderte lokal die Stickstofffixierung. Sinkender Meeresspiegel während der Eiszeiten führte zur Freilegung der Schelfe und einem Rückgang der Phosphorquelle sowie der Stickstofffixierung.
Veränderte Steuerungsmechanismen der Stickstofffixierung im Atlantik
Aktuelle Untersuchungen der MPIC-Gruppe zeigen, dass die Stickstofffixierung im heutigen Atlantik durch Auftrieb im östlichen äquatorialen Atlantik gefördert wird, der phosphorreiches Wasser in die Karibik transportiert. Im wärmeren Pliozän hingegen reagierte die Stickstofffixierung nicht auf diese Auftriebsveränderungen, da das aufsteigende Wasser damals weniger Phosphor enthielt. Dies weist darauf hin, dass sich die treibenden Faktoren der Stickstofffixierung je nach Klimazustand unterscheiden.
Zusammenfassung
Der Stickstoffkreislauf im Ozean ist ein komplexes, sensibles System, das eng mit klimatischen Veränderungen verknüpft ist und marine Ökosysteme maßgeblich beeinflusst. Die vorliegenden Ergebnisse erweitern das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Stickstofffixierung und Denitrifikation in verschiedenen Klimaphasen und liefern wichtige Erkenntnisse für die Bewertung zukünftiger Klimaauswirkungen auf marine Nährstoffkreisläufe.
Geologischer Kontext: Pliozän und Pleistozän
Das Pliozän, das vor etwa 5,33 Millionen Jahren begann und vor 2,58 Millionen Jahren endete, war global wärmer als die heutige Zeit. Ihm folgte das Pleistozän, das durch abwechselnde Kalt- und Warmzeiten geprägt ist, welche durch zyklische Veränderungen der Eisschilde der Nordhalbkugel verursacht wurden.
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
Dr. Maayan Yehudai
Abteilung Klimageochemie
Max-Planck-Institut für Chemie
E-Mail: m.yehudai@mpic.de
Originalpublikation
Reduced N2 fixation in the Tropical Atlantic Ocean during the Warm Late Pliocene
Maayan Yehudai et al.
Nature Communications, Band 17, Artikelnummer 7931 (2026)
DOI: 10.1038/s41467-026-75846-4
