Wenn wir an Seen denken, kommen uns oft Fische und Frösche in den Sinn, Vögel am Ufer oder Plätze zum Baden. Doch Seen spielen auch eine zentrale Rolle im globalen Stickstoffkreislauf. Mikroorganismen wandeln Stickstoffverbindungen wie Nitrat oder Ammoniak in Stickstoffgas (N₂) um. Dieses wird in die Atmosphäre abgegeben und so effektiv aus der Biosphäre entfernt. Dieser Prozess der Stickstoffentfernung heisst Denitrifikation.
Rund 20 Prozent der natürlichen Stickstoffentfernung in Binnengewässern gehen auf solche Prozesse zurück. Eine neue Studie unter der Leitung der Universität Basel und der Eawag zeigt, dass diese Reinigungsfunktion empfindlich auf die Erwärmung durch den Klimawandel reagiert. Die Ergebnisse wurden in «Nature Microbiology» veröffentlicht.
Filter besonders im Winter aktiv
Für ihre Untersuchungen entnahmen die Forschenden Proben aus dem Baldeggersee im luzernischen Seenland. Der 5,3 Quadratkilometer grosse See gilt als typisch für viele Seen unserer Breitengrade, in denen sich das Wasser einmal pro Jahr vollständig durchmischt.
Die Forschenden konnten zeigen, dass die Denitrifikationsaktivität eng mit dieser saisonalen Durchmischung zusammenhängt. Im Winter vermischen sich im Baldeggersee die drei Wasserschichten vollständig: das warme, sauerstoffreiche Oberflächenwasser, die Übergangszone und das kalte, sauerstoffarme Tiefenwasser.
Stickstoff sammelt sich letzten Endes im Meer an
In dieser Phase ist die Denitrifikation um fast 50 Prozent aktiver als während der sommerlichen Schichtung. Genau hier liegt eine mögliche Gefahr des Klimawandels: «Die Fähigkeit von Seen, Stickstoff aus dem Wasser zu entfernen, ist stark von der Jahreszeit abhängig. Und diese wird durch den Klimawandel verändert», erklärt Erstautor Cameron Callbeck. In einem starken Erwärmungsszenario könnte sich die winterliche Mischphase um rund 27 Tage verkürzen. Entsprechend würde auch die Stickstoffentfernung im See abnehmen. «Warum die Denitrifikation besonders im Winter stattfindet, wissen wir derzeit allerdings noch nicht», so der Umweltwissenschaftler.
Seen übernehmen im globalen Stickstoffkreislauf eine wichtige Filterfunktion. Wenn sie Stickstoff nicht zurückhalten und abbauen, gelangt er über Flüsse ins Meer. Die Folgen können gravierend sein: Algenblüten in Küstenregionen, sogenannte «Todeszonen» mit Sauerstoffmangel und eine Belastung empfindlicher Ökosysteme. «Die Studie zeigt, dass selbst relativ geringe Verschiebungen im saisonalen Durchmischungsrhythmus von Seen den Stickstoffkreislauf auf Seenebene und insgesamt den globalen Stickstoffkreislauf messbar beeinflussen können», sagt Prof. Dr. Moritz Lehmann, Letztautor der Studie.
Kombination von Sedimentproben und See-Bilanz
Um die Denitrifikation im See zu messen, nutzten die Forschenden zwei Methoden. Einerseits versetzten sie Sedimentproben mit Stickstoffmolekülen, die das seltene Isotop 15N enthielten. Dieses Isotop erlaubte ihnen mit speziellen Messverfahren nachzuvollziehen, wie viel des markierten Stickstoffs zu Stickstoffgas umgewandelt wurde: ein Mass für die Aktivität der Denitrifikation.
Andererseits erstellten sie eine Modellierung für den ganzen Baldeggersee, um abzuschätzen, wie viel Stickstoff der See insgesamt abbaut. «Die Isotopenmessungen und die berechnete Gesamtbilanz stimmten zwischen den Beobachtungen und dem Modell überein. Dies ermöglichte es uns, zuverlässige Vorhersagen zum Stickstoffabbau im See zu treffen, und zeigte, dass die Winterzeit tatsächlich eine Phase intensiver Denitrifikation ist», so Callbeck.
Die Winteraktivität wird durch eine mikrobielle Symbiose angetrieben
Die Forschenden entdeckten zudem eine Art mikrobielles Teamwork im Sediment. Bestimmte Bakterien bauen dort Chitin ab – ein robustes Molekül, das etwa aus den Hüllen von Zooplankton oder aus abgestorbenen Algen stammt und sich im Seegrund ansammelt. Beim Abbau entstehen Verbindungen, die anderen Mikroorganismen als Energiequelle dienen. Diese wiederum betreiben Denitrifikation und wandeln Nitrat in Stickstoffgas um. Der Chitinabbau liefert also gewissermassen den Treibstoff für den Prozess, durch den der See überschüssigen Stickstoff aus dem Wasser entfernt.
In einem nächsten Schritt wollen die Forschenden untersuchen, ob die beobachteten Prozesse auch Effekte auf die Produktion von klimaschädlichem Lachgas in Seen haben. Dies hängt mit der Denitrifikation und anderen wichtigen Stickstoffumwandlungsprozessen in Seen zusammen.
Universität Basel
Originalpublikation:
Callbeck, C.M., Mazzoli, A., Paulus, T.J. et al. Seasonality of lake microbial denitrification and its sensitivity to climate warming. Nat Microbiol (2026). doi.org/10.1038/s41564-026-02349-9
