Aquatische Ökosysteme verstehen

Nur so lassen sich Oberflächen- und Grundwässer zukünftig schützen und nachhaltig bewirtschaften. Unter Leitung des Lehrstuhls für Hydrogeologie der TUM ist es einem internationalen Forscherteam aus Kanada (University of Calgary) und Frankreich (Sorbonne Université) zusammen mit Kollegen der LMU (GeoBio-Center, Ludwig-Maximilians-Universität) gelungen, den Stickstoff- und Kohlenstoffkreislauf in Seen weiter zu entschlüsseln.

Methan (CH4) ist nach Kohlendioxid (CO2) das zweitwichtigste anthropogene Treibhausgas, das zur Klimaerwärmung beiträgt. Hohe Nitratkonzentrationen können die Ökologie von Oberflächen- und Grundwässern sowie ihre Trinkwasserqualität stark beeinträchtigen.

Seit langem ist bekannt, dass in aquatischen Habitaten unter sauerstofffreien Bedingungen (anaerob) bei dem Prozess der Denitrifikation Nitrat mit gelöstem organischem Kohlenstoff als elektronenliefernder Prozess zu molekularem Stickstoff (N2) umgesetzt wird. An den Osterseen der Limnologischen Station Iffeldorf der TUM, konnte mit Hilfe von isotopenchemischen und molekularbiologischen Methoden nun gezeigt werden, dass das in anaeroben Seesedimenten über die Methanogenese gebildete CH4 (CO2 + H2 → CH4) in der Wassersäule eines Sees mit Nitrat bzw. Nitrit (n-damo Prozess) zu wasserlöslichem CO2 oxidiert, bevor es als schädliches Klimagas in die Atmosphäre entweichen kann. Weiter konnte aus der Kombination von isotopenchemischen und mikrobiologischen Daten belegt werden, dass in einem parallel ablaufenden biogeochemischen Prozess das bei der Nitratreduktion als Zwischenprodukt gebildete Nitrit (NO2-) mit Ammonium (NH4+) reagiert und zu N2 umgesetzt wird. Dieser Prozess ist als anammox-Prozess bekannt und bisher äußerst selten in Süßwasserhabitaten nachgewiesen worden.

Der kürzlich entdeckte n-damo Prozess wird von Bakterien und Archaeen wie beispielsweise „Candidatus M. Oxyfera“ (NC 10) katalysiert. Die molekularbiologischen Untersuchungen legen für die Osterseen aber nahe, dass die im Vergleich zu NC10 Bakterien weniger redox-sensitive Mikroorganismen namens Crenothrix für die Methanumsetzung mit Nitrat an den Osterseen verantwortlich sind, die eigentlich als „Brunnenfäden“ bekannt sind und sehr häufig in der Natur vorkommen.

Perspektiven für die Anwendung der gekoppelten Prozesse von n-damo und anammox

Dieser, bis jetzt in Seen übersehene, gekoppelte und mikrobiell getriggerte Prozess von n-damo und anammox hat das Potential, Stickstoff (Nitrat, Nitrit, Ammonium) aus dem Habitat vollständig zu eliminieren und dabei das Klimagas CH4 zu wasserlöslichem CO2 zu oxidieren, erklärt Prof. Dr. Einsiedl, Leiter des Lehrstuhls für Hydrogeologie der TUM. Die Ergebnisse zeigen, wie die Natur ihr Selbstreinigungspotential nutzt (Ökosystemservice), um dem globalen Klimawandel und der verstärkten Verschmutzung von Oberflächen- und Grundwasser entgegenzuwirken.

Zumal, ergänzt Herr Einsiedl, können wir von der Natur lernen und die Ergebnisse aus der Grundlagenforschung nun zu einer Optimierung der technischen Aufbereitung von Trinkwasser nutzen, aber auch den gekoppelten Prozess von n-damo und anammox verstärkt für eine nachhaltige Abwassereinigung anwenden.

Das Projekt wurden von der DFG gefördert und die Ergebnisse konnten gerade in der Fachzeitschrift Biogeosciences einem breiten Fachpublikum vorgestellt werden.

Publikation

Florian Einsiedl, Anja Wunderlich, Mathieu Sebilo, Ömer K. Coskun, William D. Orsi, and Bernhard Mayer (2020): „Biogeochemical evidence of anaerobic methane oxidation and anaerobic ammonium oxidation in a stratified lake using stable isotopes“

Kontakt:
Prof. Dr. F. Einsiedl
Technische Universität München
Lehrstuhl für Hydrogeologie
Tel.: +49-(0)89 – 289 25833
E-Mail: f.einsiedl@tum.de