Klimawandel beeinträchtigt die natürliche Reinigungsfunktion von Seen
Seen erfüllen eine essenzielle ökologische Aufgabe, indem sie überschüssigen Stickstoff aus Gewässern filtern. Ein internationales Forscherteam unter Leitung der Universität Basel und der Eawag hat nun nachgewiesen, dass der Klimawandel diese Fähigkeit der Seen erheblich schwächen könnte. Diese Entwicklung kann weitreichende Auswirkungen auf Küstenökosysteme haben.
Die Rolle der Seen im Stickstoffkreislauf
Seen sind nicht nur Lebensräume für Fische, Amphibien und Vögel, sondern tragen auch maßgeblich zum globalen Stickstoffkreislauf bei. Mikroorganismen in den Seen wandeln Stickstoffverbindungen wie Nitrat und Ammoniak durch den Prozess der Denitrifikation in gasförmigen Stickstoff (N₂) um, der dann in die Atmosphäre entweicht. Dadurch wird Stickstoff effektiv aus dem Wasserkreislauf entfernt. Etwa 20 Prozent der natürlichen Stickstoffentfernung in Binnengewässern erfolgen auf diese Weise.
Empfindlichkeit der Denitrifikation gegenüber Temperaturveränderungen
Die aktuelle Studie, veröffentlicht in Nature Microbiology, zeigt, dass die Denitrifikation stark von der Wassertemperatur beeinflusst wird. Die Forschenden analysierten Proben aus dem Baldeggersee im luzernischen Seenland, einem See von 5,3 Quadratkilometern Fläche, der für viele mitteleuropäische Seen charakteristisch ist und einmal jährlich vollständig durchmischt wird.
Saisonale Durchmischung als Schlüsselfaktor
Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die Denitrifikationsrate im Winter, während der vollständigen Durchmischung der Wasserschichten, um fast 50 Prozent höher ist als im Sommer, wenn der See geschichtet ist. In dieser Phase vermischen sich das warme, sauerstoffreiche Oberflächenwasser, die Übergangsschicht und das kalte, sauerstoffarme Tiefenwasser vollständig.
Auswirkungen des Klimawandels auf die Stickstoffentfernung
Der Klimawandel verändert die Dauer und Intensität der saisonalen Durchmischung. Laut Erstautor Cameron Callbeck könnte sich die winterliche Mischperiode unter einem starken Erwärmungsszenario um etwa 27 Tage verkürzen, was die Denitrifikation und somit die Stickstoffentfernung im See reduziert. Die genauen Gründe, warum die Denitrifikation im Winter besonders aktiv ist, sind derzeit noch nicht vollständig geklärt.
Folgen für Küstenökosysteme
Wenn Seen ihre Filterfunktion verlieren, gelangt mehr Stickstoff über Flüsse in die Meere. Dies kann zu vermehrtem Algenwachstum, Sauerstoffmangel („Todeszonen“) und Belastungen empfindlicher mariner Lebensräume führen. Prof. Dr. Moritz Lehmann, Letztautor der Studie, betont, dass bereits geringe Veränderungen im saisonalen Durchmischungsrhythmus der Seen den globalen Stickstoffkreislauf messbar beeinflussen können.
Methodik der Studie
- Die Forscher verwendeten Sedimentproben, die mit dem seltenen Stickstoffisotop 15N markiert wurden, um die Denitrifikationsaktivität mittels spezieller Messverfahren zu quantifizieren.
- Parallel dazu entwickelten sie ein Modell zur Abschätzung des gesamten Stickstoffabbaus im Baldeggersee.
Die Übereinstimmung zwischen den Isotopenmessungen und den Modellberechnungen bestätigte die Aussagekraft der Ergebnisse und belegte die hohe Denitrifikationsaktivität im Winter.
Mikrobielle Interaktionen im Sediment
Die Untersuchung zeigte zudem, dass bestimmte Bakterien im Sediment Chitin abbauen – ein widerstandsfähiges Molekül, das aus den Hüllen von Zooplankton oder abgestorbenen Algen stammt. Die dabei entstehenden Verbindungen dienen anderen Mikroorganismen als Energiequelle, die wiederum die Denitrifikation betreiben und Nitrat in Stickstoffgas umwandeln. Der Chitinabbau liefert somit die notwendige Energie für die Stickstoffentfernung im See.
Ausblick
In weiteren Untersuchungen soll geprüft werden, ob die beschriebenen Prozesse auch die Emission von klimaschädlichem Lachgas aus Seen beeinflussen. Dies steht in engem Zusammenhang mit der Denitrifikation und weiteren Stickstoffumwandlungsprozessen in aquatischen Systemen.
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
Prof. Dr. Moritz Lehmann
moritz.lehmann@unibas.ch
Telefon: +49 171 1794425
