Geringere Stickstoffbildung im Meer in früheren Warmzeiten

Stickstoff stellt als limitierender Nährstoff eine zentrale Steuergröße für das marine Phytoplanktonwachstum und damit für die Basis des ozeanischen Nahrungsnetzes dar. Der globale marine Stickstoffkreislauf wird im Wesentlichen durch zwei antagonistische biogeochemische Prozesse reguliert: Bei der biologischen Nitrogenase-basierten Stickstofffixierung konvertieren Diazotrophe (insbesondere Cyanobakterien) gelösten molekularen Stickstoff in bioverfügbares Ammonium bzw. Nitrat. Dieser Prozess konzentriert sich vor allem auf oligotrophe, oligotherme bis warm-temperierte Oberflächengewässer; im Atlantischen Ozean entfallen etwa 90 % der Fixierung auf den tropischen Nordatlantik. Demgegenüber steht die Denitrifikation, bei der heterotrophe Bakterien unter anoxischen Bedingungen Nitrat über Zwischenstufen zu N₂-Gas reduzieren und so fixierten Stickstoff aus der Wassersäule austragen. Solche Sauerstoffminimumzonen sind derzeit primär im Pazifik ausgeprägt.
Vorherige Studien des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPIC) belegten einen globalen Rückgang der pelagischen Denitrifikation während historischer Erwärmungsphasen. Unklar blieb jedoch die Reaktion der Stickstofffixierung unter analogen thermischen Bedingungen sowie die resultierende Netto-Stickstoffbilanz der Ozeane.

Isotopenanalytische Rekonstruktion paläozoologischer Sedimentkerne

Eine internationale Forschungsgruppe unter Leitung des MPIC rekonstruierte die fluktuierenden Fixierungsraten mittels Sedimentbohrkernen aus dem tropischen Nordatlantik. Als Proxies dienten die calciumcarbonatischen Schalen fossiler planktonischer Foraminiferen aus dem späten Pliozän und frühen Pleistozän. Die mikroskopischen Organismen bauen während ihrer Kalzifizierung Spuren von Stickstoff in die Matrix ihres Biomineralien-Skeletts ein. Über die massenspektrometrische Analyse der isotopischen Signatur (¹⁵N /¹⁴N-Verhältnis) lässt sich das paläoozeanographische Nährstoffangebot präzise quantifizieren. Die Daten belegen einen signifikanten Rückgang der natürlichen Stickstofffixierung im tropischen Atlantik während des wärmeren späten Pliozäns, gefolgt von einem Wiederanstieg im kühleren Pleistozän.

Stochiometrische Kopplung über den marinen Phosphorhaushalt

Der synchrone Rückgang von atlantischer Stickstofffixierung und pazifischer Denitrifikation während des späten Pliozäns beruht auf der stöchiometrischen Kopplung beider Senken und Quellen über das Redfield-Verhältnis: Die Denitrifikation entfernt selektiv Nährstoff-Stickstoff aus der Wassersäule, wodurch ein stöchiometrischer Phosphorüberschuss im Meerwasser verbleibt. Diese P-angereicherten Wassermassen werden über die globale thermohaline Zirkulation verfrachtet und bieten diazotrophen Organismen in oligotrophen Systemen einen selektiven Wachstumsvorteil.

Durch das Verlangsamen der pazifischen Denitrifikation im Pliozän verringerte sich der Transport von überschüssigem Phosphor in den Atlantik, was folglich die atlantische Stickstofffixierung drosselte. Trotz des simultanen Rückgangs der Hauptquelle und Hauptsenke blieb der globale Stickstoff-Inventarbestand des Ozeans nahezu konstant.
“Ob der Stickstoffkreislauf des Ozeans unter klimatischen Störungen im Gleichgewicht bleibt, wird seit Jahrzehnten diskutiert. Wir vermuten, dass sich beide Prozesse in einer wärmeren Zukunft verlangsamen werden, sodass der Ozean zwar weniger Stickstoff binden, aber auch weniger verlieren würde. Da sich diese Veränderungen weitgehend gegenseitig aufheben, könnte die gesamte Stickstoffbilanz des Ozeans relativ stabil bleiben, auch wenn die Menge der Nährstoffe, die einer bestimmten Region zugeführt wird, von der heutigen abweichen könnte“, sagt Maayan Yehudai.

Milanković-Zyklizität und Benthic-Pelagische Kopplung

Mit dem Beginn der nordhemisphärischen Ververgletscherung vor etwa 2,8 Millionen Jahren am Übergang zum Pleistozän zeigte die Stickstofffixierung in der Karibik eine periodische Oszillation im Takt der 41.000-jährigen Milanković-Obliquitätszyklen. Diese Milanković-Zyklen sind periodische Schwankungen der Umlaufbahn der Erde um die Sonne. Sie verändern die Menge und Verteilung der Sonnenenergie auf der Erde und bestimmen maßgeblich die Kalt- und Warmzeiten und den Rhythmus der Eiszeiten.

Der Mechanismus erklärt sich über eustatische Meeresspiegelschwankungen: In Interglazialphasen überflutete der ansteigende Meeresspiegel die Kontinentalschelfe. In diesen neritischen Sedimenten entzogen Benthos-Mikroben dem überstehenden Wasser bevorzugt Stickstoff via benthic Denitrifikation und schafften so lokale P-Uberschüsse, welche die pelagische N2-Fixierung anregten. Bei regressiven Meeresspiegeln während der Glaziale fielen die Schelfbereiche trocken, wodurch dieser P-Impuls versiegte und die Fixierungsraten sanken.

Klimatechnologische Implikationen und Paläoklimatischer Kontext

„Unsere Erkenntnisse helfen uns, die Mechanismen, die heute die Stickstofffixierung im Atlantik antreiben, in einen längerfristigen Kontext zu stellen“, sagt Alfredo Martínez-García. Während in der Gegenwart der äquatoriale Auftrieb im östlichen Atlantik der primäre Treiber für den Phosphortransport in die Karibik ist, zeigte das System im wärmeren Pliozän aufgrund geringerer P-Anreicherung des Auftriebswassers keine Sensitivität gegenüber diesem Mechanismus. Dies demonstriert, dass die steuernden biogeochemischen Rückkopplungen vom jeweiligen globalen Klimazustand abhängen.

Das Pliozän (vor 5,33 bis 2,58 Mio. Jahren) dient hierbei als Referenzmodell für ein globales Treibhausklima, auf das das durch wechselnde Glazial- und Interglazialzyklen geprägte Pleistozän folgte. Die Ergebnisse unterstreichen die Plastizität und das dynamische Puffervermögen des marinen Nährstoffkreislaufs gegenüber thermischen Perturbationen.

Quelle

Max-Planck-Institut für Chemie (09/2026)