Anorganischer Stickstoff spielt eine Schlüsselrolle unter den Nährstoffen der die Primärproduktion in vielen marinen Ökosystemen begrenzt. In dem hochproduktiven Humboldt-Auftriebssystem (HUS) vor der Küste Perus und Chiles wird angenommen, dass die Produktivität abhängt von der Verfügbarkeit von anorganischem Stickstoff (N), der durch windgetriebenen Auftrieb am Schelf an die Oberfläche gebracht wird (siehe auch CUSCO-Projekt). Auf dem Weg zur lichtdurchfluteten Oberflächenschicht des Ozeans geht jedoch durch Denitrifikation und anaerobe Ammoniumoxidation (Anammox) in einer sauerstoffarmen Zone unterhalb der durchmischten Schicht (OMZ = Sauerstoffminimumzone) bioverfügbares N in großer Menge verloren. Um das Stickstoff-Reservoir wieder aufzufüllen, kann N durch biologische N2-Fixierung diazotropher Mikroorganismen gewonnen werden.
Die bisher höchsten N2-Fixierungsraten wurden in flachen Küstengewässern direkt über sauerstoffarmen Wasserschichten gemessen, was auf einen engen räumlichen Zusammenhang zwischen Verlust und Gewinn von fixiertem N hinweist (Abb. 1, N-Kreislauf, Meyer et al. 2017, Paul et al. in Vorbereitung). Einige Studien gehen davon aus, dass die räumliche Nähe zwischen der N2-Fixierung, welche die Produktion organischer Stoffe im Oberflächenozean befeuert, und der Remineralisierung in der darunterliegenden OMZ zu einem „außer Kontrolle geratenen Feedback“ im N-Kreislauf führen würde. Aufgrund eines stöchiometrischen Ungleichgewichts erhöht die Denitrifikation von neu fixiertem Stickstoff den N-Verlust, was die N2-Fixierung weiter stimuliert. Diese Rückkopplung zwischen N2-Fixierung und Denitrifikation kann einen Kipppunkt in der Primärproduktivität für das Humboldt-Aufwärtssystem darstellen (Abb. 1).
Um stabilisierende Rückkopplungen zu ermöglichen, müsste das neu fixierte N in weniger bioverfügbaren Formen wie gelöstem organischem Stickstoff (Abb. 1, Weg 2) gespeichert werden, oder die N2-Fixierung und die damit verbundene Produktion organischer Stoffe müssten räumlich von Regionen mit Denitrifikation getrennt werden (Fig. 1, Weg 3). Aufgrund eines sehr spärlichen Datensatzes zur N2-Fixierung im HUS ist es derzeit schwierig, ihre Größe, zeitliche und räumliche Variabilität abzuschätzen, sowie mögliche Rückkopplungen beim N-Umsatz in dieser Region genau zu bewerten. Mithilfe von räumlich und zeitlich gut aufgelösten Untersuchungen des Humboldt-Auftriebssystems und in Zusammenarbeit mit peruanischen Wissenschaftlern wollen wir i) die Dynamik der Prozesse bei denen N gewonnen wird und die verantwortlichen Mikroorganismen besser verstehen und ii) die drei möglichen Wege sowie die potenziellen biogeochemischen und ökologischen Kipppunkte im HUS beurteilen.
Beteiligte Wissenschaftler: Prof. Ulf Riebesell, Dr. Allanah Paul, Leila Kittu in Zusammenarbeit mit Dr. Michelle Graco von IMARPE Perú
Projekt: Humboldt Tipping Project, Work package 1
