Unter dem arktischen Eis erwacht eine verborgene Waffe gegen die Erderwärmung.

Als das Meereis dünner wird und aufbricht, entdecken Forschende winzige Lebensformen, die von Kälte, Dunkelheit und Knappheit leben – und dennoch dabei helfen könnten, klimaschädlichen Kohlenstoff zu binden.

Die Arktis, die sich weigert, eine gefrorene Wüste zu sein

Jahrzehntelang betrachteten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den zentralen Arktischen Ozean als biologisches Randthema. Eisbedeckt, sonnenarm, nährstoffarm: kaum ein Ort, an dem man aktive, kohlenstoffhungrige Ökosysteme vermuten würde. Diese Annahme wirkt inzwischen wackelig.

Neuere Expeditionen unter mehrjährigem Eis haben blühende Gemeinschaften aus Bakterien und Mikroalgen sichtbar gemacht, die einen Trick nutzen, den man eher aus warmen tropischen Meeren kennt: biologische Stickstofffixierung. Diese Mikroorganismen, sogenannte Diazotrophe, können Stickstoffgas (N₂) aus der Umwelt aufnehmen und in Ammonium umwandeln – eine Form, die andere Organismen nutzen können.

Unter Eisplatten, die einst leblos wirkten, „prägen“ Mikroben leise neuen Stickstofftreibstoff für das arktische Nahrungsnetz.

Dieser frische Stickstoff wirkt wie Dünger für mikroskopische Algen. Mehr Algen bedeuten mehr Photosynthese – und damit mehr Kohlendioxid, das der Atmosphäre entzogen wird. Schritt für Schritt berührt diese unsichtbare Chemie alles: von Plankton bis zu Seevögeln und Robben.

Der überraschende Aufstieg arktischer Stickstofffabriken

In niedrigeren Breiten häufen sich stickstofffixierende Mikroben in warmen, lichtdurchfluteten Gewässern. Die Arktis bietet dagegen Kälte, saisonale Dunkelheit und dicken Eispanzer. Lange gingen Klimamodelle davon aus, dass dort kaum – wenn überhaupt – Stickstofffixierung stattfindet.

Dieses Bild bekam Risse, als Ozeanografinnen und Ozeanografen begannen, unter driftenden Eisschollen Proben zu nehmen, mithilfe von Eisbrechern wie dem deutschen Schiff Polarstern und dem schwedischen Forschungsschiff Oden. Wasserproben unter dem Eis zeigten eindeutige Signale aktiver Stickstofffixierung – selbst bei schwachem Licht und nahe dem Gefrierpunkt.

Entscheidend ist: Viele der Mikroben, die diesen Prozess antreiben, waren nicht die klassischen Cyanobakterien, die man mit tropischen Gewässern verbindet. Stattdessen dominierten offenbar nicht-cyanobakterielle Gruppen – bislang noch schlecht verstanden – im Eurasischen Becken und anderen tiefen, eisbedeckten Zonen.

Messungen, die 2025 veröffentlicht wurden, berichteten in einigen Regionen Stickstofffixierungsraten von bis zu etwa 5,3 Nanomol Stickstoff pro Liter und Tag, von schmelzenden Eiskanten bis zur Wandel-See nördlich von Grönland. Diese Werte liegen im Bereich gemäßigter Ozeane – ein Schock für ein Gebiet, das lange als biologisches Hinterland galt.

Die Arktis ist nicht mehr nur ein passives Opfer der Erwärmung; sie beginnt, wie ein aktiver chemischer Motor im globalen Ozean zu funktionieren.

Warum Stickstoff fürs Klima so wichtig ist

Stickstoff begrenzt im Meer häufig das Leben. Gelangt neuer Stickstoff in die Oberflächengewässer, blühen Algen oft auf. Sie nehmen gelöstes Kohlendioxid auf, nutzen Sonnenlicht als Energiequelle und bauen organische Substanz auf. Ein Teil dieser organischen Substanz sinkt, wenn Organismen sterben oder gefressen und wieder ausgeschieden werden – und transportiert Kohlenstoff in tiefere Wasserschichten und schließlich auf den Meeresboden.

Diese „biologische Pumpe“ prägt die Rolle des Ozeans als Kohlenstoffsenke. Zusätzlicher Stickstoff durch arktische Diazotrophe kann diese Pumpe zumindest prinzipiell stärken. Mehr Stickstofffixierung bedeutet mehr Primärproduktion – und das kann zu mehr Kohlenstoff führen, der für Jahrzehnte oder Jahrhunderte der Atmosphäre entzogen bleibt.

• Stickstofffixierende Mikroben erzeugen neuen Stickstoff aus atmosphärischem N₂.
• Algen nutzen diesen Stickstoff zum Wachstum und zur Aufnahme von CO₂.
• Plankton, Fische und Seevögel ernähren sich von dieser neuen Produktion.
• Ein Teil des organischen Kohlenstoffs sinkt ab und bindet CO₂ in Tiefenwasser und Sedimenten.

Leben unter dem Eis und die empfindliche arktische Kaskade

Wenn sich das Meereis zurückzieht, dringt Sonnenlicht tiefer und früher im Jahr ein. Diese Verschiebung – zusammen mit wärmeren Oberflächengewässern und stärkerem Flussabfluss – bringt organisches Material und Mikronährstoffe in Regionen, die früher unter dickem Eis eingeschlossen waren.

Diazotrophe nutzen diese neuen Bedingungen. Sie gedeihen an schmelzenden Eiskanten, unter dünner werdendem Eis und sogar in Salzkanälen (Brine Channels), die ins Eis geschnitten sind. Der von ihnen gelieferte Stickstoff ernährt nicht nur klassisches Phytoplankton, sondern auch Eisalgen, die an der Unterseite der Schollen haften.

Die Effekte pflanzen sich nach oben durch das Nahrungsnetz fort:

Ebene	Rolle in der arktischen Kohlenstoffgeschichte
Mikroben	Fixieren Stickstoff und recyceln organisches Material
Algen	Senken CO₂ ab und bilden die Basis des Nahrungsnetzes
Zooplankton	Überträgt Kohlenstoff an höhere Räuber
Fische und Seevögel	Konzentrieren Kohlenstoff in mobiler Biomasse
Lebensgemeinschaften am Meeresboden	Speichern einen Teil des Kohlenstoffs in Sedimenten

Doch das ist keine einfache Erfolgsgeschichte, in der die Natur unsere Emissionen abpuffert. Der rasche Eisverlust verändert auch Schichtung, Meeresströmungen und Durchmischung. Süßwasser aus schmelzendem Eis kann eine „Deckel“-Schicht an der Oberfläche bilden, die nährstoffreiches Tiefenwasser daran hindert, die lichtdurchflutete Zone zu erreichen. Dieser Deckel könnte Stickstofffixierern helfen, die ihren Stickstoff selbst erzeugen, während er andere Algen um Phosphor, Eisen oder Silikat bringt, die sie benötigen.

Dieselbe Erwärmung, die stickstofffixierende Mikroben gedeihen lässt, kann die Nahrungsnetze destabilisieren, die sie mittragen.

Warum Klimamodelle nun einen blinden Fleck in den Polargebieten haben

Aktuelle globale Klimamodelle kämpfen ohnehin mit der Arktis. Sie treffen Meereistrends nicht genau, unterschätzen regionale Erwärmung und vereinfachen Ökologie oft zu groben, gleichförmigen Feldern „biologischer Produktivität“. Die meisten gehen weiterhin von vernachlässigbarer Stickstofffixierung in Polnähe aus.

Diese Abkürzung macht den simulierten Kohlenstoffkreislauf unvollständig. Wenn arktische Stickstofffixierung weit verbreitet und saisonal intensiv ist, unterschätzen Modelle möglicherweise, wie viel Kohlenstoff die Polarmeere aufnehmen können – zumindest in den nächsten Jahrzehnten. Sie könnten auch falsch berechnen, wo und wann diese Aufnahme stattfindet.

Forschende fordern drei zentrale Aktualisierungen:

• Realistische stickstofffixierende Gemeinschaften in Ozeanen hoher Breiten integrieren.
• Produktivität unter dem Eis berücksichtigen, statt Meereis als „toten Deckel“ zu behandeln.
• Mikrobielle Verschiebungen mit sich ändernder Eisdecke, Schichtung und Flusseinträgen verknüpfen.

Ohne diese Änderungen werden Projektionen zur arktischen Kohlenstoffaufnahme und zu Rückkopplungen auf die globale Erwärmung vermutlich wichtige Dynamiken verfehlen. Auf dem Papier könnte die Region einfacher und berechenbarer wirken, als sie in Wirklichkeit ist.

Eine Waffe gegen die Erwärmung – mit scharfen Kanten

Arktische Stickstofffixierung als „Waffe“ gegen den Klimawandel zu beschreiben, klingt verlockend. Zusätzliche Kohlenstoffbindung in einer Region, die sich viermal schneller erwärmt als der globale Durchschnitt, bietet einen seltenen Hauch guter Nachrichten. Doch diese Waffe schneidet in beide Richtungen.

Stickstofffixierende Mikroben atmen auch. Wenn ihre Biomasse – oder die Biomasse der Algen, die sie ernähren – absinkt und in tieferen Wasserschichten zersetzt wird, verbrauchen Bakterien Sauerstoff und setzen Kohlendioxid frei. In einigen abgeschlossenen arktischen Meeren drückt dieser Prozess die Bodenwasserschichten bereits in Richtung niedrigerer Sauerstoffwerte.

Wenn die Erwärmung die Eisdecke weiter reduziert, könnten lange Phasen offenen Wassers größere Blüten erlauben, die später verrotten und den Sauerstoffverlust verstärken. Dieses Szenario könnte kälteangepasste Bodenfauna belasten und die Fischarten verändern, die in manchen Becken überleben können.

Jenseits von Stickstoff: die chaotische Realität arktischer Rückkopplungen

Die Arktis liefert keine einfachen Gewinne. Während stickstofffixierende Mikroben die Kohlenstoffaufnahme erhöhen könnten, wirken andere Prozesse dem entgegen. Schmelzender Permafrost an Land setzt Kohlenstoff und Methan frei. Zurückweichendes Meereis legt dunkles Wasser frei, das mehr Wärme aufnimmt. Tauende Küstensedimente könnten altes organisches Material ins Meer abgeben und bakterielle Atmung ankurbeln.

Diese konkurrierenden Kräfte bedeuten, dass jede zusätzliche Kohlenstoffsenke durch Stickstofffixierung unter dem Eis in einem dichten Geflecht von Rückkopplungen arbeitet. Die Arktis könnte zugleich in einigen Zonen mehr Kohlenstoff speichern und in anderen mehr Treibhausgase freisetzen.

Für die Politik ist das eine unbequeme Botschaft. Kein realistisches Szenario erlaubt es der Menschheit, sich darauf zu verlassen, dass arktische Mikroben Emissionen aus fossilen Brennstoffen oder Entwaldung „reparieren“. Bestenfalls glätten sie die Kanten unseres Erwärmungspfads und kaufen begrenzte Zeit – und auch das nur, wenn globale Emissionen stark sinken.

Worauf Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler als Nächstes achten werden

In den kommenden Jahren wollen Forschungsprojekte verfolgen, wie sich arktische Stickstofffixierung verändert, während die Eisdecke abnimmt. Autonome Driftkörper und eisverankerte Plattformen, ausgestattet mit genetischen und chemischen Sensoren, sollen ganzjährige Einblicke liefern, die Schiffe nicht bieten können.

Mehrere Fragen treiben diese Arbeit an:

• Werden nicht-cyanobakterielle Diazotrophe weiter zunehmen, wenn die Sommer länger werden?
• Könnten neue mikrobielle Akteure aus Atlantik und Pazifik weiter nach Norden wandern?
• Wie schnell verändern diese Verschiebungen Nahrungsnetze – vom Plankton bis zu Spitzenräubern?
• Wo landet der zusätzliche Kohlenstoff genau – im tiefen Ozean, in Sedimenten oder wieder in der Luft?

Ein hilfreiches Konzept ist hier eher „Kipp-Balance“ als „Kipp-Punkt“. Statt einer einzelnen dramatischen Schwelle beherbergt die Arktis viele kleine Gleichgewichte: zwischen Eisdecke und offenem Wasser, zwischen Stickstofffixierern und anderen Mikroben, zwischen Kohlenstoffspeicherung und -freisetzung. Stickstoff unter dem Eis verschiebt mehrere dieser Balancen zugleich.

Für Menschen, die die Klimawissenschaft verfolgen, zeigt diese Geschichte unter dem Eis, wie Veränderung oft fernab offensichtlicher Frontlinien wie Waldbränden oder Hitzewellen beginnt. Mikroskopische Reaktionen in dunklen arktischen Gewässern beeinflussen inzwischen Klimamodelle, Fischerei, Schifffahrtsrouten und sogar Geopolitik rund um entstehende arktische Ressourcen.

Dieses Netz an Verbindungen mag abstrakt wirken, doch es fließt in Entscheidungen zu Emissionszielen, Meeresschutzgebieten und kommerzieller Nutzung in Polarmeeren ein. Zu verstehen, wie wenige Nanomol Stickstoff pro Liter das Kohlenstoffbudget formen, könnte helfen, diese Entscheidungen zu schärfen – in einer Zeit, in der jedes Zehntelgrad Erwärmung neue Risiken mit sich bringt.