Klimagetriebene Veränderung der Nitrifikation in Süßwasserseen

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Pester
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445467451

Der Klimawandel führt zur Erwärmung von Seen und damit zu einer längeren thermischen Schichtung, einer unvollständigen Durchmischung und einer höheren Ammoniakverfügbarkeit. Während Forschung zum Klimawandel stark auf den C-Kreislauf fokussiert, wird dem N-Kreislauf wenig Beachtung geschenkt. Die Nitrifikation ist ein Schlüsselprozess im N-Kreislauf, bei dem Ammoniak über Nitrit in Nitrat umgewandelt wird. Sie verhindert die Anreicherung von Ammoniak, was für die Ökosystemintegrität und eine sichere Trinkwasserversorgung wichtig ist. Tiefe oligotrophe Seen wie der Bodensee speichern >80% des weltweiten Seewassers. Im Bodensee dominiert eine einzige Art von ammoniakoxidierenden Archaeen (AOA) im kalten (5°C) Hypolimnion, deren Abundanz stark mit Nitrit-oxidierenden Nitrospira korreliert. Unsere Analysen zeigten jedoch, dass erhöhte Nitrifikationsraten unterhalb der wärmeren Sprungschicht (ca. 10°C) nicht allein durch AOA erklärt werden können. Dies geht mit gelegentlichen Blüten von Ammoniak-oxidierenden Bakterien (AOB) einher. Darüber hinaus konnten wir kürzlich eine Nitrotoga-Art aus dem Bodensee anreichern, die bei erhöhten Substrat- und Temperaturbedingungen Nitrit oxidiert. Hypothese I dieses Antrags prüft, ob über aufsteigende räumliche Temperatur- und Ammoniakgradienten eine AOA/Nitrospira- in eine AOB/Nitrotoga-getriebene Nitrifikation übergeht. Hypothese II prüft, ob diese Veränderungen innerhalb von wenigen Wochen eintreten können. Beide Hypothesen werden in zwei getrennten Arbeitspaketen (AP) getestet. In AP1 werden zwei Wasserkörper, die sich in Bezug auf die Temperatur und die Ammoniakverfügbarkeit unterscheiden, mit Hilfe von 15N-Markierungstechniken und GC-IRMS-Analytik auf ihre Ammoniak- und Nitritoxidationsraten untersucht. Gemessene Raten werden mit der Nitrifikantengemeinschaft mittels 16S rRNA-Gen-Amplikonsequenzierung und CARD-FISH abgeglichen. Einzelzellanalysen mittels nanoSIMS werden relative Beiträge und in-situ-Wachstumsraten der einzelnen Nitrifikanten abschätzen. Anschließende 15N-basierte Experimente entlang von Temperatur- und Substratgradienten werden die in situ-Temperaturoptima und Ammoniak-Halbsättigungskonzentrationen der jeweiligen Nitrifikantengemeinschaften ermitteln. In AP2 werden zeitliche Reaktionen auf Veränderungen der Temperatur, der Ammoniakkonzentration oder des Substrattyps in Bioreaktoren untersucht. Nitrifikationsraten werden mit Hilfe von Standard-Analysetechniken für Ammoniak, Nitrit und Nitrat überwacht. Veränderungen in der Nitrifikantengemeinschaft werden mittels 16S rRNA-Gen-Amplikonsequenzierung und CARD-FISH analysiert. Die geplanten Arbeiten werden abschätzen helfen, wie wichtige Ökosystemdienstleistung in Seen auf den globalen Wandel reagieren, sowohl im Hinblick auf den Prozess als auch die zugrunde liegende Mikrobiota. Die erwarteten Ergebnisse können leicht in molekulare Screenings und Ökosystemmodellierungen einfließen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen