Wie der Jinshui River Stickstoff über Denitrifikation und Anammox abbaut

Wer einem Fluss lange genug zuschaut, hält ihn leicht für eine Art Rohrleitung: Wasser fliesst von oben nach unten. In Wirklichkeit passiert deutlich mehr.

Während sie strömen, reinigen sich Flüsse fortlaufend selbst – und entfernen dabei unbemerkt überschüssigen Stickstoff, noch bevor er einen See oder die Küste erreicht.

Neue Untersuchungen an einem bewaldeten Fluss in Zentralchina zeigen, wie komplex und „unaufgeräumt“ diese Reinigungsarbeit sein kann. Entscheidend ist ein wechselndes Zusammenspiel aus Mikroorganismen, Wasserchemie, Höhenlage und der Nutzung der umliegenden Flächen.

Das Forschungsteam untersuchte den Jinshui River und nahm dabei zwei Wege in den Blick, über die Flüsse Stickstoffbelastung abbauen. Der eine ist die Denitrifikation.

Der andere ist ein weniger bekanntes Verfahren namens Anammox – kurz für anaerobe Ammoniumoxidation.

Flussreinigung hat viele Stellschrauben

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich die Stickstoffentfernung in Flüssen nicht durch einen einzigen Umweltfaktor erklären lässt“, sagte der korrespondierende Autor Hao Jiang vom Wuhan Botanical Garden.

„Die dominierenden Einflussgrössen ändern sich mit den Jahreszeiten, daher muss ein wirksames Einzugsgebietsmanagement sowohl grossräumige Landschaftsbedingungen als auch die mikroskopischen Prozesse berücksichtigen, die in Flusssedimenten ablaufen.“

Zu viel Stickstoff gelangt über Düngerabfluss, Abwasser und Industrieabfälle in Flüsse.

Diese Belastung treibt Algenblüten an, zehrt Sauerstoff im Wasser auf und lässt die Biodiversität flussabwärts schleichend zurückgehen.

Gegensteuern kann ein Fluss gewissermassen über Mikroben: Sie wandeln Stickstoffverbindungen in ein harmloses Gas um, das in die Atmosphäre entweicht, statt im Gewässer Schaden anzurichten.

Einen Fluss durch die Jahreszeiten verfolgen

Um zu sehen, wie sich das vor Ort auswirkt, entnahmen die Forschenden Wasser- und Sedimentproben an 18 Punkten entlang des Jinshui River. Die Proben wurden einmal im Sommer und erneut im Winter genommen.

Das Einzugsgebiet umfasst ungefähr 730 Quadratkilometer (etwa 282 Quadratmeilen). Es deckt grosse Höhenunterschiede ab und ist in weiten Teilen der Oberläufe weiterhin zu mehr als 95 Prozent bewaldet.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kombinierten Fernerkundung mit einer Isotopenverfolgung über Stickstoff-15. Zusätzlich untersuchten sie Wasser- und Sedimentchemie sowie mikrobielle Gene, um zu bestimmen, welche Mikroben die Arbeit leisten.

Als klarer Hauptpfad erwies sich die Denitrifikation. Sie war im Sommer für rund 90 Prozent der gesamten Stickstoffentfernung verantwortlich und im Winter für 95 Prozent. Zudem lief sie in den warmen Monaten spürbar schneller ab.

Anammox stand dabei nie im Mittelpunkt, verschwand aber auch nicht: Über das ganze Jahr hinweg trug der Prozess leise und konstant einen kleineren Anteil zur Stickstoffentfernung bei.

Im Sommer übernehmen Mikroben das Steuer

Hier wird die Studie besonders spannend: Fragt man danach, was diese Prozesse tatsächlich antreibt, fällt die Antwort je nach Jahreszeit völlig anders aus.

Im Sommer folgte die Denitrifikation eng den mikrobiellen Genen und den unmittelbaren Bedingungen im Sediment – darunter Gesamtstickstoff, organischer Kohlenstoff, das Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis sowie die Feuchte.

Die Wasserchemie spielte weiterhin eine Rolle, jedoch eher indirekt. Sie prägte die Sedimentbedingungen, in denen die Mikroben leben, statt den Prozess unmittelbar zu dominieren.

Anammox reagierte stärker auf räumliche Faktoren – vor allem Höhenlage und Landnutzung – als auf das, was direkt im Sediment darunter passierte.

Waldflächen schienen dabei zu helfen. Mit zunehmender Walddeckung nahm auch die Anammox-Aktivität zu; nach Einschätzung der Forschenden hängt das damit zusammen, dass in bewaldeten Gebieten weniger organischer Kohlenstoff verfügbar ist.

Dadurch nimmt der Konkurrenzdruck durch denitrifizierende Mikroben ab, und Anammox-Bakterien erhalten mehr Spielraum.

Der Winter bringt eine starke Verschiebung

Mit dem Winter ordnete sich das System dann neu. Für Denitrifikation und Anammox wurde die Wasserchemie zur dominierenden Einflussgrösse.

Temperatur sowie die Konzentrationen von Ammonium und Nitrat im Wasser wirkten dabei überproportional stark.

Kaltes Wasser bremst Mikroben und schwächt, wie effizient Stickstoff innerhalb des Sediments selbst recycelt wird.

Wenn dieses interne Recycling eingeschränkt ist, wird das durchströmende Flusswasser zur wichtigsten Stickstoffquelle, die diese mikrobiellen Prozesse versorgt – eine Rolle, die im Sommer kaum nötig gewesen war.

Ausserdem zeigte sich in den Sommermonaten eine enge Kopplung zwischen Nitrifikation und Denitrifikation – fast wie in einem Staffellauf, bei dem der eine Prozess seine Nebenprodukte an den nächsten weitergibt.

Im Winter funktionierte diese Übergabe deutlich schlechter, weil die Kälte alles verlangsamte und es chemischen Verbindungen erschwerte, zwischen verschiedenen Sedimentbereichen zu wandern.

Warum sich die Flussreinigung ständig verändert

In der Gesamtschau geht es dabei nicht nur um den Jinshui River. Die zentrale Aussage ist, dass sich der Umgang eines Flusses mit Stickstoffbelastung weder allein über die Landschaft noch allein über Mikroben erklären lässt.

Beides ist nötig – und was stärker zählt, hängt vollständig von der Jahreszeit ab.

Die Forschenden erwarten, dass ihre Ergebnisse umfassendere Modelle des globalen Stickstoffkreislaufs präzisieren könnten.

Zugleich könnte die Studie das Einzugsgebietsmanagement in Richtung saisonal angepasster Strategien lenken, statt davon auszugehen, dass ein Fluss sich im Winter auf dieselbe Weise reinigt wie im Sommer.