Wie sich klimaschädliches Lachgas im Ozean bildet

Lachgas (N2​O) ist nicht nur durch seine medizinischen oder umgangssprachlichen Anwendungen bekannt, sondern auch ein hochwirksames Treibhausgas, das die Erderwärmung entscheidend beeinflusst. Es wirkt in der Atmosphäre fast dreihundertmal stärker als CO2​ und schädigt zudem die Ozonschicht. Dr. Claudia Frey von der Universität Basel hat in einer Pazifik-Expedition untersucht, unter welchen Bedingungen Mikroorganismen im Meer große Mengen dieses Gases produzieren.

Diese Forschungsergebnisse sind wichtig für zukünftige Klimamodellierungen. Die Konzentration von Lachgas steigt seit dem 19. Jahrhundert kontinuierlich an, hauptsächlich durch menschliche Aktivitäten wie die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die intensive Landwirtschaft. Stickstoffreicher Dünger gelangt über Gewässer in den Ozean, wo Bakterien diese stickstoffhaltigen Substanzen (z. B. Nitrat) zu Nahrung und Energie verarbeiten. Als Nebenprodukt dieses biochemischen Prozesses entsteht Lachgas, das dann in die Atmosphäre entweicht.

Sauerstoffarme Zonen im Fokus

Die genauen Prozesse der Lachgasproduktion im Meer sind komplex und noch nicht vollständig geklärt. Bekannt ist jedoch, dass besonders sauerstoffarmes Wasser zur Freisetzung großer Mengen beiträgt. Hier sind spezielle mikrobielle Gemeinschaften aktiv, die Nitrat zur Energiegewinnung nutzen und dabei Lachgas bilden. Um diese Vorgänge im Detail zu untersuchen, konzentrierte sich Dr. Claudia Frey auf die größten sauerstoffarmen Gebiete im Pazifik entlang der Küsten von Kalifornien und Mexiko.

Im Rahmen einer sechswöchigen Expedition auf einem Forschungsschiff entnahm die Biogeochemikerin in verschiedenen Wassertiefen hunderte von Proben und führte damit Analysen und Experimente teilweise direkt an Bord durch, um die ablaufenden Mechanismen genau zu erforschen. „Da die Zeit auf dem Schiff so wertvoll ist, haben wir praktisch Tag und Nacht durchgearbeitet“, erinnert sie sich. Um die Proben im ursprünglichen Zustand zu erhalten, mussten diese unter Ausschluss von Sauerstoff und in Kühlräumen untersucht werden – dies während sich das Schiff durch tropische Gewässer bewegte.

Bakterien-Stoffwechsel läuft anders als gedacht

Die durchgeführten Analysen lieferten gleich mehrere überraschende Ergebnisse: Bisher ging man davon aus, dass die Umwandlung von Nitrat in Lachgas nur bei extrem niedrigen Sauerstoffkonzentrationen stattfindet. Dr. Frey konnte jedoch nachweisen, dass die Mikroorganismen diesen Prozess auch bei wesentlich höheren Sauerstoffkonzentrationen durchführen können – insbesondere, wenn in den sauerstoffarmen Zonen viel organisches Material (wie abgestorbene Algen) vorhanden ist.

Ebenfalls unerwartet war, dass die Bakterien stets den gesamten, mehrstufigen Stoffwechselweg vom Nitrat bis zum Lachgas bevorzugten. Die bisherige Annahme, dass die Mikroben auf einen kürzeren, energiesparenderen Weg wechseln, wenn ein Zwischenprodukt verfügbar ist, wurde durch die Experimente widerlegt.

Diese neuen Erkenntnisse nutzte Frey, um ein Ökosystem-Modell für sauerstoffarme Zonen zu präzisieren. Das Modell berücksichtigt nun, dass das Vorhandensein von organischem Material die Sauerstofftoleranz der Bakterien erhöht und somit die Regionen, in denen Lachgas produziert werden kann, größer sind als angenommen.

„Für Klimavorhersagen ist es zentral, zu verstehen, was in diesen Randzonen passiert“, so Frey. Besonders, wenn die Menschen weiterhin immer mehr Stickstoff in die Gewässer eintragen. „Was in den Ozeanen passiert, ist für uns relevant, weil sie immerhin zwei Drittel unseres Planeten bedecken.“

Quelle

Universität Basel (10/2025)