Anaerobe Harnstoffoxidation ist ein übersehenes, aber global relevantes Stickstoffverlust‑Pfad in marinen Sedimenten

Warum versteckte Stickstoffpfade wichtig sind

Überschüssige Düngemittel und Abwässer führen große Mengen Stickstoff ins Meer, was Algenblüten und sauerstoffarme „Todeszonen“ fördert. Wissenschaftler wissen, dass Mikroben im Meeresboden helfen, diesen Überschuss zu entfernen, indem sie reaktiven Stickstoff in harmlosen Stickstoffgas umwandeln. Bislang galten nur zwei Haupt‑Säuberungswege als maßgeblich. Diese Studie zeigt, dass ein dritter, übersehener Weg — eine sauerstofffreie Verbrennung von Harnstoff in Sedimenten — still und leise einen bedeutenden Anteil des Stickstoffs entfernt, besonders in der Tiefsee.

Ein unauffälliger Stoff in geschäftigen Küstenmeeren

Harnstoff ist vor allem als Abfallprodukt von Tieren bekannt, wird im Ozean aber auch von Mikroben produziert und durch menschliche Aktivitäten zugeführt. Die Autor:innen bestimmten Harnstoff in Sedimentschlämmen unter Chinas Küstenmeeren, vom Bohai‑ und Gelben Meer bis zum Ostchinesischen Meer. Sie fanden, dass Harnstoff zwar generell weniger reichlich vorkommt als Ammonium, aber einen beträchtlichen Anteil des gelösten organischen Stickstoffs in Porenwassern ausmachen kann. Die Konzentrationen waren in der Nähe der Oberfläche höher und nahmen mit der Tiefe ab — ein Hinweis darauf, dass Mikroben ihn kontinuierlich verbrauchen. In wichtigen Schichten, in denen der Sauerstoff fehlt, aber Nitrat und Nitrit noch vorhanden sind, überschneiden sich Harnstoff und diese oxidierten Stickstoffformen und schaffen die richtigen Bedingungen für einen zuvor vermuteten, aber unbewiesenen Weg: die anaerobe Harnstoffoxidation.

Den versteckten Pfad im Schlamm beweisen

Um diesen Prozess direkt nachzuweisen, verwendete das Team eine empfindliche Tracermethode. Sie versetzten Sedimentsuspensionen mit Harnstoff, der eine schwere Stickstoffform trug, und beobachteten das Auftreten markierten Stickstoffgases. An den meisten Stationen sahen sie unter sauerstofffreien Bedingungen einen klaren, linearen Anstieg des markierten Gases, der verschwand, wenn der Schlamm sterilisiert oder Nitrat und Nitrit entzogen wurden — ein Beleg dafür, dass lebende Mikroben am Werk waren. Ein Teil des Signals konnte jedoch von einem Nebenweg stammen, bei dem Harnstoff zunächst zu Ammonium zerfällt, das dann von bereits bekannten Mikroben weiterverarbeitet wird. Die Forschenden entwickelten ein verfeinertes Rechenverfahren, das diesen indirekten Weg von der direkten Harnstoffoxidation trennt, indem simultan markiertes Ammonium und Gas gemessen werden. Nach dieser Korrektur entdeckten sie direkte anaerobe Harnstoffoxidation immer noch an 90 % der untersuchten Standorte, was zeigt, dass der Pfad weit verbreitet ist.

Wie Konkurrenz diesen versteckten Prozess formt

Mit dem nachgewiesenen Prozess fragten die Autor:innen, wie wichtig er im Vergleich zu dem vertrauten Weg ist, bei dem Mikroben Ammonium ohne Sauerstoff oxidieren. In Chinas Randmeeren lief die Harnstoff‑basierte Oxidation langsamer und trug im Mittel etwa 15 % der Rate der Ammoniumoxidation bei sowie nur wenige Prozent zum gesamten Stickstoffverlust, wenn die klassische Denitrifikation einbezogen wird. Dennoch war der Anteil von Harnstoff nicht fest. Experimente zeigten, dass beide Wege ähnlich auf Temperatur reagieren, aber Mikroben offenbar Ammonium bevorzugen, weil es leichter zu nutzen ist. Wo Porenwasser‑Ammonium hoch war, wurde der relative Beitrag aus Harnstoff stark unterdrückt; wo Ammonium knapp war, spielte Harnstoff eine größere Rolle. Diese enge, quantitative Verbindung zwischen Ammoniumspiegeln und dem Harnstoffpfad ermöglichte dem Team, eine prognostische Beziehung für andere Ozeanregionen zu entwickeln.

Ein globaler Blick von flachen Schelfen bis zu tiefen Gräben

Mit dieser Beziehung und veröffentlichten Daten zum Stickstoffkreislauf und Ammonium in Sedimenten weltweit schätzten die Forschenden, wie viel Stickstoff die anaerobe Harnstoffoxidation global entfernt. Sie fanden, dass die absolute Rate in den meisten Tiefenzonen vergleichbar ist, aber in den tiefsten Gräben abnimmt. Dagegen steigt ihr Anteil am gesamten Stickstoffverlust mit der Tiefe: Er ist mäßig auf produktiven Kontinentalschelfen, größer an Kontinentalabhängen und erreicht in einigen abyssalen und hadalen Sedimenten etwa ein Fünftel des Stickstoffverlusts. Insgesamt berechnen die Autor:innen, dass dieser Pfad jährlich rund 7 % des aus marinen Sedimenten entfernten Stickstoffs ausmacht, wobei der tiefe, nährstoffarme Meeresboden einen unverhältnismäßig großen Anteil beiträgt.

Was das für das Stickstoffgleichgewicht des Ozeans bedeutet

Für Nichtfachleute lautet die Botschaft: Die „Selbstreinigung“ des Ozeans von überschüssigem Stickstoff ist komplexer als bisher angenommen. Mikroben in dunklem, sauerstofffreiem Schlamm sind nicht auf ein oder zwei Stickstoffnahrungsquellen beschränkt; sie können Harnstoff direkt nutzen, vor allem in tieferen, ammoniumarmen Sedimenten. Obwohl dieser Weg langsamer ist als die ammoniumbasierte Variante, ist er ausreichend weit verbreitet, um für das planetare Stickstoffgleichgewicht von Bedeutung zu sein. Da existierende Modelle des marinen Stickstoffkreislaufs die anaerobe Harnstoffoxidation weitgehend ignorieren, legt diese Arbeit nahe, dass aktuelle Schätzungen zur Geschwindigkeit, mit der der Ozean reaktiven Stickstoff abbaut — und wie er auf anhaltende menschliche Einträge und den Klimawandel reagieren wird — überarbeitet werden müssen.

Zitation: Xu, H., Song, G., Zhu, R. et al. Anaerobic urea oxidation is an overlooked but globally relevant nitrogen loss pathway in marine sediments. Commun Earth Environ 7, 299 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03323-3

Schlüsselwörter: mariner Stickstoffkreislauf, Meeresboden‑Sedimente, Harnstoffoxidation, Anammox, Tiefsee‑Biogeochemie