Effektive Stickstoffnutzung von Mikroorganismen

Mikroorganismen sind die zentralen Spieler in den globalen Stoffkreisläufen. Sie zersetzen zum Beispiel Pflanzenstreu und Humusstoffe in Böden und setzen dabei die darin gespeicherten Nährstoffe wieder für das Pflanzenwachstum frei. Wie das genau funktioniert, daran wird zwar schon seit mehr als hundert Jahren geforscht, aber geklärt ist das noch lange nicht. Erstmals konnte nun ein Team um Andreas Richter die Stickstoffnutzungseffizienz von mikrobiellen Gemeinschaften messen.

Mikrobielle Stickstoffnutzungseffizienz

Mikroorganismen brauchen nämlich selbst für ihr Wachstum Stickstoff und geben den Stickstoff, den sie beim Abbau aus totem Pflanzenmaterial freisetzen, nur dann in die Natur ab, wenn sie selbst genug davon haben. Mikroorganismen nehmen also organisch gebundenen Stickstoff, z.B. als Aminosäuren, auf und verwenden einen Teil für ihr eigenes Wachstum, während sie den Überschuss an die Umwelt in Form von Ammonium abgeben.

Diese Verteilung des aufgenommenen Stickstoffs zwischen Wachstum und Abgabe an die Umwelt wird als mikrobielle Stickstoffnutzungseffizienz bezeichnet. "Diese Effizienz regelt, wie viel Stickstoff in den Böden gespeichert bleibt und wie viel freigesetzt wird und damit für weitere Prozesse in Ökosystemen zur Verfügung steht: etwa für das Wachstum von Pflanzen, aber auch für Verluste, etwa als Treibhausgas, Lachgas oder als Nitrat, das in das Grundwasser ausgewaschen werden kann", erklärt Andreas Richter, Ökosystemforscher und Vizedekan der Fakultät für Lebenswissenschaften der Universität Wien.

Neue Messmethode mit Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie

Umso verwunderlicher ist es, dass ForscherInnen die Stickstoffnutzungseffizienz bislang nicht messen, sondern lediglich modellieren konnten. "Wir haben es aber nun erstmals geschafft, auf Basis anspruchsvoller Isotopenmethoden eine direkte Messmethode zu entwickeln", berichtet der Ökologe Wolfgang Wanek und die Doktorandin Maria Mooshammer ergänzt: "Wir haben mit dieser neuen Methode untersucht, wie die mikrobielle Stickstoffnutzungseffizienz in verschiedenen Bodenhorizonten unterschiedlicher Ökosysteme – von der sibirischen Tundra über boreale Wälder bis hin zum alpinen Grassland sowie in Laubstreu – aussieht".

	Die Stickstoffnutzungseffizienz stellt einen zentralen Zugang zum Verständnis der Regulation des globalen Stickstoffzyklus dar. (Grafik: A. Richter)

Gemeinsam haben die ForscherInnen vom Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung der Universität Wien die Stickstoffnutzungseffizienz in ein theoretisches Konzept eingebettet, mit dem es ihnen möglich war, einige der Kernhypothesen in der mikrobiellen Regulation des Stickstoffkreislaufes zu überprüfen. Zum Beispiel, dass Mikroorganismen auf stickstoffarmen Substraten – etwa Pflanzenstreu – Stickstoff effizienter nutzen, um so Stickstoffverluste zu minimieren, während sie in tieferen Bodenschichten, wo verhältnismäßig viel Stickstoff zur Verfügung steht, relativ viel mineralisieren. In diesem Fall wird also Stickstoff als Ammonium an die Umwelt abgegeben.

Stickstoffarmut und Stickstoffüberschuss

Erstmals konnte diese Hypothese bestätigt werden – Mikroorganismen zeigen in Situationen von Stickstoffarmut eine sehr hohe Nutzungseffizienz und verwenden rund 90 Prozent des aufgenommen Stickstoffs für ihr eigenes Wachstum. Bei Stickstoffüberschuss fällt die Nutzungseffizienz auf bis zu 15 Prozent, d.h. es werden 85 Prozent des aufgenommenen Stickstoffs wieder abgegeben.

"Wir konnten außerdem nachweisen, dass Mikroorganismen aktiv ihre Stickstoffnutzungseffizienz regulieren können, also sich an geänderte Nährstoffverfügbarkeiten anpassen – etwas, das bisher weitgehend ignoriert wurde. Unsere Arbeit widerlegt damit die gängige Lehrmeinung, dass Mikroorganismen im Wesentlichen ihre Kohlenstoffnutzung regulieren, ihre Stickstoffnutzung aber konstant halten", so Andreas Richter abschließend und weiter: "Diese Arbeit wird weitreichende Konsequenzen haben – nämlich für unser Verständnis, wie Mikroorganismen den Stickstoffkreislauf regulieren." (af)

Die Publikation "Adjustment of microbial nitrogen use efficiency to carbon:nitrogen imbalances regulates soil nitrogen cycling" (AutorInnen: M. Mooshammer, W. Wanek und A. Richter) erschien am 16. April 2014 in der Fachzeitschrift Nature Communications.