Trophischer Status steuert stark die Lachgasproduktion, nicht jedoch Methanproduktion in Sedimenten weltweit

Warum Seeschlamm fürs Klima wichtig ist

Verborgen unter der ruhigen Oberfläche von Seen entscheiden dünne Schlammschichten still, wie viel Treibhausgas in die Luft entweicht. Diese Studie untersucht, wie sich verändernde Nährstoffverhältnisse in Seen – ob klar und nährstoffarm oder trüb und algengesättigt – auf die Produktion zweier kraftvoller Gase auswirken: Lachgas, ein langlebiges wärmespeicherndes Gas, und Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas. Das Verständnis dieser unsichtbaren Prozesse macht deutlich, wie Landwirtschaft, Düngemitteleinsatz und Gewässerpolitik bis hin zum globalen Klima nachwirken.

Vom Trinkwasser zu den Treibhausgasen

Süßwasserseen liefern Trinkwasser, bieten Fischerei‑ und Erholungsräume, sind aber auch bedeutende Quellen von Treibhausgasen. Wenn Dünger und andere stickstoffreiche Schadstoffe von Feldern und Städten in Seen gespült werden, treiben sie Algenblüten und den Prozess der Eutrophierung voran – das Wasser wird grüner, der Sauerstoff in tieferen Schichten geht zurück und die Biodiversität sinkt. Gleichzeitig versorgen diese Nährstoffe Mikroben, die bestimmen, ob Stickstoff unschädlich als N2 aus dem See entweicht oder als Lachgas austritt, und ob begrabene organische Substanz zu Methan umgewandelt wird. Bislang war allerdings nicht klar, wie der trophische Zustand eines Sees – sein Nährstoffstatus – bestimmt, welche Gase produziert werden und über welche mikrobiellen Wege dies geschieht.

Mikroben rund um die Welt verfolgen

Die Autorinnen und Autoren kombinierten detaillierte Laborversuche mit einer globalen DNA‑Erhebung von Seensedimenten, um diese Frage zu beantworten. Sie entnahmen Sedimente und darüber liegendes Wasser aus Seen mit sehr unterschiedlichen Nährstoffbedingungen, von sehr klaren, nährstoffarmen Systemen (oligotroph) bis zu stark angereicherten, algengesättigten (eutroph). Mithilfe von Metagenomik lasen sie die genetischen Baupläne der vorhandenen Mikroben und verfolgten Schlüsselgene des Stickstoff‑ und Methankreislaufs. Anschließend inkubierten sie Sedimente im Labor unter streng kontrollierten Bedingungen, fügten spezifische Stickstoffformen hinzu und setzten Inhibitoren ein, um bestimmte mikrobielle Prozesse an‑ oder auszuschalten. So konnten sie messen, wie schnell Lachgas und Methan produziert wurden und diese Raten den zugrundeliegenden mikrobiellen Mechanismen zuordnen.

Zwei verschiedene Lachgas‑Welten

Für Lachgas trat ein auffälliges Muster zutage. In nährstoffreichen, eutrophen Sedimenten ist organischer Kohlenstoff reichlich vorhanden, und Mikroben haben genügend Energie, um die vollständige Denitrifikation durchzuführen – also reaktiven Stickstoff bis zum harmlosen Stickstoffgas zu reduzieren. In diesen Seen entsteht Lachgas hauptsächlich als Nebenprodukt der Nitrifikation, einem Weg, bei dem Mikroben Ammoniak oxidieren; wenn die Forschenden diesen Schritt mit einem spezifischen Inhibitor blockierten, verschwanden die Lachgasemissionen nahezu. Im Gegensatz dazu stockt die Denitrifikation in nährstoffarmen, oligotrophen Sedimenten mit wenig organischem Kohlenstoff häufig in der Mitte. Mikroben wandeln Nitrat zu Lachgas um, haben aber nicht die Ressourcen für den letzten Schritt, sodass sich Lachgas ansammelt und in die Atmosphäre entweicht. Genetische Marker spiegelten diese Aufteilung wider: Eutrophe Sedimente waren von Genen geprägt, die mit starker Lachgasverwertung assoziiert sind, während oligotrophe Sedimente mehr Gene für unvollständige Denitrifikation und höhere Lachgasfreisetzung trugen.

Methan folgt anderen Regeln

Methan lieferte eine kompliziertere Geschichte. In den globalen Daten korrelierte die Häufigkeit von Genen, die für Methanproduktion in Sedimenten verantwortlich sind, eng mit Genen für Stickstofffixierung in spezialisierten Mikroben, was darauf hindeutet, dass methanproduzierende Archaeen häufig ihren eigenen Stickstoffdünger aus Stickstoffgas herstellen. Laborinkubationen bestätigten, dass die Zufuhr von Stickstoffgas sowohl die Methanproduktion als auch die Ammoniumkonzentrationen in Sedimenten erhöhte. Im Gegensatz zum Lachgas zeigten methanbezogene Gene und Produktionsraten jedoch keinen klaren, einheitlichen Unterschied zwischen nährstoffarmen und nährstoffreichen Seen. Vielmehr scheint die Methanproduktion von einem breiteren Mix an Einflüssen abzuhängen – Temperatur, Sedimentchemie, Seetiefe und Sedimentationsrate – wodurch sie sich schwerer allein aus dem trophischen Zustand vorhersagen lässt.

Den Nährstoffregler hoch- und herunterdrehen

Um über Momentaufnahmen bestehender Seen hinauszugehen, führten die Forschenden ein einfallsreiches „Cross‑Inokulations“‑Experiment durch. Sie mischten lebende Mikroben aus einem nährstoffarmen See in sterilisierte Sedimente eines nährstoffreichen Sees und umgekehrt und erzeugten so im Labor einen Gradienten von oligotrophen zu eutrophen Bedingungen. Als sie arme Sedimente nach und nach anreicherte, verlagerte sich die Lachgasproduktion von einer Kontrolle durch unvollständige Denitrifikation hin zu einer Dominanz durch Nitrifikation, entsprechend dem Muster in realen eutrophen Seen. Wenn sie reiche Sedimente in nährstoffärmere Verhältnisse verwandelten, kehrte das System wieder um. Dieser reversible Wechsel zeigt, dass sich die hauptsächliche mikrobielle Quelle von Lachgas vorhersehbar ändert, wenn Seen durch menschliche Einflüsse oder Wiederherstellungsmaßnahmen entlang des Eutrophierungs–Oligotrophierungs‑Spektrums verschoben werden.

Folgen für Klima und Seemanagement

Für Nicht‑Spezialisten ist das zentrale Ergebnis: Der Nährstoffstatus von Seen steuert stark, wie Lachgas gebildet wird, hat aber keine einfache, direkte Kontrolle über Methan. In eutrophen Seen könnte das Reduzieren von Ammoniumzufuhr oder das Einschränken von Bedingungen, die die Nitrifikation begünstigen, die Lachgasemissionen deutlich senken. In oligotrophen oder sich erholenden Seen können Maßnahmen, die die Denitrifikation bis zum Ende unterstützen – etwa die Erhöhung des Kohlenstoffanteils gegenüber Nitrat oder das Entfernen gespeicherten Nitrats aus Sedimenten – helfen, Lachgasverluste zu vermeiden. Da mit weiterem Düngemitteleinsatz und Landnutzungswandel in vielen Regionen eine Zunahme der Eutrophierung zu erwarten ist, bieten diese Befunde einen praxisorientierten Fahrplan: Durch ein gezieltes Management des Nährstoffzustands von Seen lässt sich das Gleichgewicht mikrobieller Pfade im Bodenschlamm verschieben und damit eine bedeutende Quelle eines starken Treibhausgases dämpfen.

Zitation: Yang, Y., Zhang, H., Herbold, C.W. et al. Trophic status strongly regulates nitrous oxide but not methane production in global freshwater lake sediments. Nat Commun 17, 3791 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72269-z

Schlüsselwörter: Seen‑Eutrophierung, Lachgasemissionen, Methan aus Sedimenten, mikrobieller Stickstoffkreislauf, süßwasserbezogene Treibhausgase