Lexikon: Stickstoffkreislauf

 

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Der Stickstoffkreislauf ist die stetige Wanderung und geochemische Umsetzung des Bioelementes in der , in Gewässern, in Boden|Böden und in Biomasse.

Der Kreislauf, kurzgefasst

Stickstoff wird von allen Lebewesen benötigt, da er Bestandteil von Aminosäuren in Proteinen, von Desoxyribonukleinsäure|DNA und von Vitaminen ist. Doch befindet sich der irdische Stickstoff (1015 Tonnen) zu 99% in der Atmosphäre, von wo ihn nur spezielle Bakterien und - durch Symbiose mit derartigen Bakterien an bzw. in ihren Wurzel (Pflanze)|Wurzeln - auch einige wenige Pflanzen aufnehmen können. Alle anderen Pflanzen und vor allem Tiere und en sind auf den Stickstoff-Kreislauf in der Biosphäre angewiesen.

N-kreislauf_klein.jpg|frame|right|Grafik Stickstoffkreislauf

Dass dieser Kreislauf trotz seiner Engpässe funktioniert, zeigen Stoff-Bilanzen und Abschätzungen von Bio- und Ökologen. Demnach wurde der verfügbare Stickstoff während der Erdgeschichte schon 500 bis 1000-mal von Lebewesen in ihren Körper (Biologie)|Körper eingebaut und wieder ausgeschieden, während er jedoch rund 200.000 mal ein- und ausgeatmet wurde.

Zum Vergleich: der Luft- und ozeanische Sauerstoff der Erde wurde bisher rund 60 mal von der "Fabrik Leben" benutzt, in Biomasse eingebaut und (nach verschieden langer Zeit) wieder durch Atmung oder andere Effekte ausgeschieden.

Stickstoff-Reservoire

Die [[Luft besteht zu 78% aus Stickstoff in seiner elementaren, zweiatomigen Form N2. Könnte man den Stickstoff der gesamten Atmosphäre auf normalen Luftdruck kondensieren, würde er 6 km hoch stehen, was 8000 kg über jedem Quadratmeter entspricht.

Weniger als ein Prozent davon lagern an und unter der , nämlich

  • etwa 70 kg/m² in en der Lithosphäre als Salpeter (Nitrate),
  • etwa 10 kg/m² in der Hydrosphäre und Biosphäre. Der biotische Anteil befindet sich
    • in den ,
    • in toter Biomasse
    • in substanzen des s bzw. s.

Etwa 0.02 kg/m² tierischer Dünger (200 kg pro Hektar) darf laut Düngeverordnung jährlich ausgebracht werden.

Stickstoff-fixierende Prozesse

Die Vorgänge, durch welche der elementare Stickstoff N2 verfügbar gemacht wird, nennt man Stickstoff-Fixierung. Er ist wegen der sehr stabilen Dreifachbindung von N2 extrem energieaufwändig (die benötigte beträgt 946 kJ pro ).

Drei Prozesse sind für die Fixierung geeignet (1.WebLink), die derzeit etwa 10-15%, 30% bzw. 60% ausmachen:

Durch Blitzschlag

Durch Blitzschlag bei Gewittern, und Vulkane: aus Stickstoff und der Luft entstehen e, die mit Wassertröpfchen in der Atmosphäre zu Salpetriger Säure bzw. reagieren und als Saurer Regen in den gelangen.

\mathrm{ N_2 + O_2 \quad \rightarrow \quad 2\,NO }
\mathrm{ 4\,NO + 3\,O_2 + 2\,H_2O \quad \rightarrow \quad 4\,HNO_3 }

Biotische Katalyse

, die spezielle Nitrogenase-e besitzen, können elementaren Stickstoff zu Ammoniak (NH3) reduzieren. Unter allen sind dazu nur befähigt, z. B. der Gattungen Azotobacter und Rhizobium (Knöllchenbakterien) sowie . Diese Bakterien leben frei oder in mit Pflanzen wie zum Beispiel Luzerne ("ewiger Klee") oder Farnen. Der Prozess ist eine Reduktion: von N2 zu NH3. Ammoniak wird entweder in eigene Körperbestandteile, z. B. Aminosäuren, eingebaut oder an die Pflanzen abgegeben.

N_2 + 8 H^+ + 8 e^- \rightarrow 2 NH_3 + H_2

Technisch

nach dem : der Prozess benötigt eine Temperatur von 500°C, einen Druck (Physik)|Druck von 450 bar und en. Die Reduktion ist ähnlich wie unter (2).
Meist wird dieser Ammoniak in nitrathaltige umgesetzt.

Nitrifikation

Pflanzen können zwar (NH4+) aufnehmen, bevorzugen aber e (NO3-), wobei der Boden nicht angesäuert wird. Zwei Gruppen von Bakterien, Nitritbakterien (z. B. Nitrosomonas) und Nitratbakterien (z. B. Nitrobacter), oxidieren in einem zweistufigen aeroben Prozess bei Energiegewinnung Ammoniak über die Zwischenstufe Nitrit zu Nitrat:

\mathrm{ NH_3 \quad \rightarrow \quad NO_2^- \quad \rightarrow \quad NO_3^- }

Dieser Prozess, der in Böden und in Gewässern abläuft, wird Nitrifikation genannt.

Nitratassimilation

Das von den Pflanzen aufgenommene Nitrat wird in organische Verbindungen wie e umgesetzt, NO3- ---> Aminogruppe -NH2

Ammonifikation

Durch Primär- und Sekundärkonsumenten (siehe ) werden organische Stoffe in Exkremente, Harnstoff, Kadaver oder umgesetzt und von en (Zersetzer wie , Bakterien) wird der darin enthaltene Stickstoff als Ammoniak (NH3) bzw. Ammonium-Ionen (NH4+) freigesetzt. Dieser Prozess wird Ammonifikation genannt. Die Produkte des Abbaus, NH3 und NH4+, stehen dem wieder zur Verfügung und somit wird der biotische Stickstoffkreislauf geschlossen.

Siehe auch: Nitrifikation, Ammonifikation

Nitratreduktion zu Nitrit

Unter anoxischen Bedingungen können bestimmte Bakterien Nitrat als Oxidans anstelle von Sauerstoff (O2) für die Oxidation von organischen Stoffen oder elementarem Wasserstoff (H2) als Energie-liefernde Reaktion nutzen. Nitrat wird dabei zu Nitrit (NO2-) reduziert. Nitrit wirkt auf viele Organismen giftig.

Denitrifikation

Bestimmte Bakterien ("Denitrifizierer"), z. B. Arten der Gattungen Pseudomonas, Paracoccus, Flavobacterium, können unter anoxischen Bedingungen auch Nitrit als Oxidans für die Oxidation von organischen Stoffen oder H2 nutzen und auf diese Weise Energie gewinnen. Nitrit wird dabei über mehrere Zwischenstufen zu N2 reduziert. Aus Nitrat wird also durch diesen bakteriellen Prozess, der Denitrifikation genannt wird, N2 gebildet, der zum großen Teil in die Atmosphäre entweicht.

Bedeutung der Umsetzungen

Diese Umsetzungen im Stickstoff-Kreislauf bewegen insgesamt 250-300 Mio t je Jahr, was erst ein Millionstel des Stickstoffs der Atmosphäre ausmacht. Der Luftstickstoff ist aber "fest" gebunden, weil er reaktionsträge ist, daher bewirken die im Vergleich zu den verfügbaren Anteilen erheblichen Emissionen von Stickoxiden aus Verbrennung (besonders Kraftfahrzeuge) und Ammoniak aus Massentierhaltung massive probleme. Die verschiedenen N-O- und N-H-chemische Verbindung|Verbindungen führen zur Eutrophierung (Überdüngung) von Böden und Gewässern, das wird durch Nitratauswaschung aus den Böden belastet, Stickoxide wirken darüber hinaus als Säurebildner ("Saurer Regen").

Stickstoffkreislauf in Seen

Der organisch gebundene , zum Beispiel in toter Biomasse, wird durch Destruenten in der tropholytischen Schicht zu (NH3) umgewandelt. Im weiterführenden Prozess der Ammonifikation wird dann Ammoniak in -Ionen (NH4+) umgeformt.

Unter aeroben Verhältnissen oxidieren aerob|aerobe Bakterien das freigesetzte Ammonium bei der Nitrifikation erst zu Nitrit (NO2-) und dann zu (NO3-).

Liegen anaerob|anaerobe Verhältnisse vor (zum Beispiel durch die Sauerstoffzehrung aerober und fakultativ anaerober Mikroorganismen) können bestimmte anaerobe Bakterien Nitrat über Nitrit zu Ammonium reduzieren. Dieser Vorgang wird als Nitratammonifikation bezeichnet. Andere Bakterien wandeln Nitrat bei der Denitrifikation zu Stickstoff (N2) um, indem sie es für ihren oxidativen Energiestoffwechsel als Oxidans verwenden. Das entstandene N2 wird freigesetzt und gelangt dadurch in die Atmosphäre.

In der trophogenen Schicht entzieht Phytoplankton Stickstoff aus dem noch vorhanden Nitrat und Ammonium für die Synthese körpereigener Stoffe, zum Beispiel Eiweiße. Dadurch wird also neue Biomasse produziert. Diese Biomasse gelangt nun in die Nahrungskette. Konsumenten 1. und 2. Ordnung geben das beim Abbau organischer Stoffe gebildete Ammonium wieder in den Stickstoffkreislauf ab.

Zusätzlich binden einige Bakterien, zum Beispiel einige Arten von Cyanobakterien, elementaren Stickstoff N2 durch Reduktion zu NH3 (Stickstoff-Fixierung). Durch Absterben dieser Bakterien gelangt zusätzlich Stickstoff in den Kreislauf.

Der Stickstoffkreislauf ist nun geschlossen.

Bedeutung des Stickstoff-Kreislaufs in Fischteichen

  1. Zu viele , Fütterung, reste und Laub (Botanik)|Laub reichern das Teichwasser mit organischem Material an, in dem Stickstoff-Verbindungen enthalten sind. Auch zum Nachfüllen verwendetes Regenwasser aus Zisternen, flug und Gartendünger tragen zur Überdüngung des Teiches bei.
  2. zersetzen die Biomasse unter Verbrauch von und setzen dabei den enthaltenen Stickstoff als Ammonium bzw. giftiges frei. Ab pH-Wert 8,5 liegt davon so viel als Ammoniak vor, dass es für Fische bedrohlich ist; (das pH-Optimum liegt bei 7-8).
  3. Die nitrifizierenden Bakterien, z. B. Bakterien der Gattungen Nitrosomonas und Nitrobacter, oxidieren beides unter oxischen Bedingungen zu (Nitrifikation). Dieses Endprodukt des Eiweißabbaus ist wichtiger aller Pflanzen und für Fische ungefährlich.
  4. Durch Pflanzenreste kommt totes organisches Material in den Teich, wodurch der Kreislauf geschlossen wird.

und seine Störung

  1. Die Teichpflanzen können das Nitrat meist nur teilweise verbrauchen. Die überschüssige Menge wird bei jedem Kreislauf mehr und überdüngt das Wasser. Algen nehmen überhand und trüben den Teich.
  2. Ist der Überschuss aufgebraucht, sterben die meisten Algen ab. Ihre Zersetzung durch Mikroorganismen verbraucht viel Sauerstoff, vor allem nachts. Wenn die Fische an der Oberfläche nach Luft schnappen, ist dies ein sicherer Hinweis auf Sauerstoffmangel.
  3. Unter anoxischen Bedingungen, die im Sediment (Schlamm) oder - bei starker Sauerstoffzehrung infolge starker Belastung mit organischen Stoffen - auch im Wasserkörper herrschen können, reduzieren viele Bakterien Nitrat zu Nitrit, das für Fische giftig ist.
  4. Sauerstoffmangel lässt sich technisch beheben, indem Sauerstoff aus der Luft eingebracht wird, z. B. durch Umpumpen des Wassers, Wasserspiele, Bach (Gewässer)|Bachläufe und Quellsteine.
  5. Dennoch bleibt das Wasser trüb, weil die überschüssigen Nährstoffe noch im Wasser sind und zur nächsten Algenblüte führen. Darum ist das überschüssige Nitrat zu entfernen - etwa durch bakterielle Denitrifikation.

Siehe auch

Transport (Biologie)#Nährstofftransport

Weblinks

  • http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/umat/stickstoffkreislauf/stickstoffkreislauf.htm (Stickstoffkreislauf der Erde)
  • http://www.chemievorlesung.uni-kiel.de/1992_umweltbelastung/dueng2.htm (Stickstoff, Düngung, Nitrate, Krebs)
  • http://www.biokurs.de/skripten/bs11-26.htm (Schaubilder von C- und N-Kreisläufen)
  • http://www.haus-garten-hobby.de/Stickstoffkreislauf.htm (Fischteich)

Kategorie:Ökologie

fr:Cycle de l'azote da:Kvælstofkredsløb en:Nitrogen cycle