Bakterien verbrauchen Stickoxid, wenn Sauerstoff verschwindet – wir können es nutzen, um den Klimawandel zu bekämpfen.

Die berüchtigsten Treibhausgase sind Kohlendioxid (CO2) und Methan, und es liegt ein großer internationaler Fokus auf der Reduzierung dieser Emissionen. Doch auch Lachgas (N2O) gibt inzwischen Anlass zu großer Sorge.

Seit rund 15 Jahren erforschen wir das Potenzial von Bakterien, die als „Senke“ zur Entfernung von N2O aus der Atmosphäre eingesetzt werden können.

Historisch gesehen ist N2O in der Öffentlichkeit am besten als „Lachgas“ bekannt – das Anästhetikum, das in der Zahnarztpraxis eingesetzt wird. Obwohl sie nur etwa neun Prozent der gesamten Treibhausgasemissionen ausmacht, hat sie das etwa 300-fache des Treibhauspotenzials von Kohlendioxid und bleibt etwa 120 Jahre in der Atmosphäre. N2O zerstört auch die Ozonschicht mit einer ähnlichen Wirksamkeit wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) und gilt als die Hauptursache für den Abbau der Ozonschicht in der Arktis.

Mehr als 80 Prozent der weltweiten N2O-Emissionen entfallen auf die Agrar- und Abfallbehandlungsindustrie. Im Laufe des 20. Jahrhunderts und bis ins 21. Jahrhundert hinein hat N2O in der Umwelt um 50 Teile pro Milliarde zugenommen, und zwar um rund 0,25 Prozent pro Jahr. Schon ein kleiner Teil des in die Atmosphäre emittierten N2O kann weitreichende Folgen für die Umwelt haben und ist wohl einer der wichtigsten anthropogenen Stoffe des 21. Jahrhunderts.

Während es Bemühungen zur Bekämpfung der CO2-Emissionen gegeben hat, entwickelt sich N2O nun zu einem dringenden globalen Anliegen. Es ist wichtig, dass wir beginnen, die Umweltauswirkungen von N2O vorherzusagen und seine Freisetzung zu mildern. Dies erfordert, dass Forscher mit unterschiedlichen Fähigkeiten aus der ganzen Welt zusammenkommen, um die nächste Welle des Klimawandels zu verhindern.

Um die im globalen Klimaabkommen der Vereinten Nationen festgelegte Grenze von 1,5 Grad Celsius zu erreichen, muss der Ausstoß von Treibhausgasen deutlich und schnell sinken.

Das Ziel der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung 13 ist es, „unsere Welt zu verändern, indem wir dringend Maßnahmen zur Bekämpfung des Klimawandels und seiner Auswirkungen ergreifen“. Um dies zu erreichen, sind natürlich Veränderungen in der landwirtschaftlichen Praxis unerlässlich. Aber es bedarf auch neuer Strategien, um die anthropogenen N2O-Emissionen zu mildern und zu kontrollieren, ohne die Ernährungssicherheit negativ zu beeinflussen, um die wachsende Bevölkerung weltweit zu erhalten.

Unser Team, das als Nitrous Oxide Research Alliance (NORA) arbeitet, besteht aus Gruppen aus ganz Europa, die unter der Schirmherrschaft eines Marie Curie Sklodowski International Training Network der Europäischen Union finanziert werden.

Wir haben einen Prozess namens „Denitrifikation“ erforscht, der eine wichtige globale Quelle und Senke für N2O ist.

Bei Sauerstoffmangel können viele Bakterienarten (am Beispiel von Paracoccus denitrificans) von der Sauerstoffatmung auf die Verwendung von Nitraten zur Unterstützung der Atmung umsteigen. Bei diesem Denitrifikationsprozess werden wasserlösliche Nitrate in Gase einschließlich N2O umgewandelt, die in die Atmosphäre abgegeben werden.

Die Denitrifikation ist für den biogeochemischen Stickstoffkreislauf von zentraler Bedeutung und hat sich in der Industrie in der Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung etabliert. Unsere neuesten, in PNAS veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass einige Bodenbakterien bereit sind, N2O zu konsumieren, wenn kein Sauerstoff vorhanden ist.

Früher dachte man, dass Bakterien zuerst N2O wahrnehmen mussten, bevor sie atmen und es anstelle von Sauerstoff konsumieren konnten. Aber wir entdeckten, dass Bakterien „ihre Wetten absichern“ und darauf setzen, dass N2O in ihrer Umgebung vorhanden ist, und so die Systeme zur N2O-Vernichtung aktiv halten und sogar bewusst in neuen Zellen verteilen, um ihnen die Chance zu geben, einen niedrigen Sauerstoffgehalt im Boden zu überleben.

In dieser Studie haben wir die Systeme zur Produktion und Zerstörung von Lachgas markiert, so dass wir sie mikroskopisch sehen und ihre Synthese in neuen Bakterien im Labor verfolgen konnten, ohne die natürliche Aktivität der Zellen zu verändern.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Wettabsicherung unter 20 Grad Celsius ausgeprägt ist und in Bodenorganismen weit verbreitet sein kann, so dass dieses natürliche Phänomen zu unserem Vorteil genutzt werden könnte, um N2O-Emissionen zu kontrollieren und den Klimawandel zu bekämpfen.

Diese Arbeit wird dazu beitragen, die politischen Entscheidungsträger über das Potenzial zu informieren, Bakterien als Senken zu nutzen, um dieses starke klimaaktive Gas aus der Atmosphäre zu entfernen.

Können wir also die N2O-Freisetzung mildern? Trotz jahrzehntelanger Forschung zu den N2O-Emissionen wurden bisher keine plausiblen groß angelegten Minderungsoptionen vorgeschlagen – unabhängig von der Reduzierung der Stickstoffeinträge aus Düngemitteln und der Stickstofffixierung. Aber das wird nicht funktionieren, denn Düngemittel werden benötigt, um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren.

Wir müssen also andere Lösungen finden. Wir sind uns bewusst, dass dies nicht einfach sein wird, aber wir sind sicher, dass die Chancen, solche Managementoptionen zu finden, durch integrierte Forschungsteams, die Mikrobiologen, Biochemiker und Bodenwissenschaftler mit denen der Agrarindustrie, wie beispielsweise Düngemittelhersteller, zusammenbringen, erheblich verbessert werden.

Es ist klar, dass viele Faktoren die N2O-Freisetzung aus Bodenbakterien beeinflussen, einschließlich Stickstoffeintrag, pH-Wert, Kupfergehalt und Sauerstoffgehalt. Die Verwaltung dieser Version ist komplex. Aber ein besseres Verständnis der Faktoren, die die Freisetzung auf bakterieller Ebene beeinflussen, schafft Möglichkeiten für ein besseres Management der landwirtschaftlichen Praxis, um Emissionen zu minimieren.

Aus unseren Studien können wir spekulieren, dass Böden auf der ganzen Welt hohe Populationen von Bakterien enthalten, die mit dem Enzym „bewaffnet“ sind, das zur Vernichtung von N2O erforderlich ist, und dieses Enzym wird für den Betrieb vorbereitet, sobald der Sauerstoff aus der Bodenumgebung verbraucht ist.

Die Frage ist nun, wie wir diese Bakterienressource, die bereits im Boden unter unseren Füßen vorhanden ist, nutzen können, um das globale Problem der N2O-Emissionen anzugehen.

Professor David Richardson und Dr. Andrew Gates sind von der School of Biological Sciences an der University of East Anglia, Großbritannien.

Die in diesem Artikel geäußerten Ansichten sind die eigenen der Autoren.

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