Stickstoffkreislauf
Der Stickstoffkreislauf ist die stetige Wanderung und Umlagerung des Bioelementes Stickstoff im System der Atmosphäre über die Biomasse und den Boden.
Table of contents |
2 Stickstoff-Reservoire 3 Stickstoff-fixierende Prozesse 4 Nitrit, Nitrat und Ammonifikation 5 > NO2 6 Stickstoff-Kreislauf im Fischteich 7 Weblinks |
Stickstoff wird von allen Lebewesen benötigt, da er Bestandteil von Aminosäuren im Eiweiß, von DNS und Vitaminen ist. Doch befindet sich der irdische Stickstoff (1015 Tonnen) zu 99% in der Atmosphäre, von wo ihn nur ganz wenige Pflanzen mittels spezieller Bakterien an ihren Wurzelnn aufnehmen können. Alle anderen Pflanzen und vor allem Tiere und Menschen sind auf den Stickstoff-Kreislauf in der Biosphäre angewiesen.
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 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.
Weniger als ein Prozent davon lagern an und unter der Erdoberfläche, nämlich
Der Kreislauf, kurzgefasst
Stickstoff-Reservoire
Die Luft besteht zu 78% aus Stickstoff in seiner zweiatomigen Form N2. Könnte man den Stickstoff der ganzen Atmosphäre auf normalen Luftdruck kondensieren, würde er 6 km hoch stehen, was 8000 kg über jedem Quadratmeter entspricht.Stickstoff-fixierende Prozesse
Die Vorgänge, durch welche der Luftstickstoff verfügbar gemacht wird, nennt man Stickstoff-Fixierung. Er ist wegen der sehr stabilen Dreifachbindung von N2 extrem energieaufwendig (die benötigte Energie beträgt 946 kJ pro Mol).
Drei Prozesse sind für die Fixierung geeignet (1.WebLink), die derzeit etwa 10-15% , 30% und 60% ausmachen:
Durch Blitzschlag
Durch Blitzschlag bei Gewittern, Verbrennung und Vulkane: aus Stick- und Sauerstoff der Luft entstehen Stickoxide, die mit Regenwasser zu Salpetersäure reagieren und als Saurer Regen bzw. [Nitrat]] in den Boden gelangen.
N2 ==> 2 NO ;
4 NO + 3 O2 + 2 H2O ==> 4 HNO3
Organische Katalyse
durch Mikroorganismen, die spezielle Nitrogenase-Enzyme besitzen: unter allen Lebewesen sind dazu nur Prokaryonten befähigt, z.B. Azotobacter-Bakterien, Rhizobium-Knöllchenbakterien und Blaualgen. Sie leben frei oder in Symbiose mit Pflanzen wie Luzerne ("ewiger Klee") oder Farnen. Der chemische Prozess ist eine Reduktionvon N2 zu Ammoniak NH3. Der Ammoniak wird entweder in eigene Aminosäuren eingebaut oder an die Pflanzenzellen abgegeben.
Technisch
nach dem Haber-Bosch-Verfahren: der hohe Energieaufwand benötigt 500°C, einen Druck von 450 bar und Katalysatoren. Die Reduktion ist ähnlich wie unter (2).
Meist wird dieser Ammoniak in nitrathaltige Düngemittel umgesetzt.
Pflanzen könne zwar Ammonium aufnehmen, bevorzugen aber Nitrate, um den Boden nicht anzusäuern. Die Bakterien Nitrosomonas und Nitrobacter oxidieren in einem 2stufigen aeroben Prozess bei Energiegewinnung Ammonium über die Zwischenstufe Nitrit zu Nitrat:
Nitrit, Nitrat und Ammonifikation
NH4
Das nun von den Pflanzen aufgenommene Nitrat wird in organische Verbindungen wie Proteine umgesetzt, NO3 ==> Aminogruppe NH2> NO2
> NO3
Über Primär- und Sekundärkonsumenten (siehe Nahrungskette) werden sie als Exkremente, Harnstoff, Kadaver oder Humus wieder freigesetzt und von Destruenten (Zersetzer wie Pilze, Bakterien) in Ammoniumverbindungen umgewandelt, die dem Ökosystem wieder zur Verfügung stehen und den biologische Stickstoffkreislauf schließen.
Siehe auch: Nitrifikation
Der Nitrifikation entgegengesetzt ist die Denitrifikation z.B. durch Flavobakterien. Sie veratmen Nitrate anaerob, um Sauerstoff zu gewinnen. Dabei setzen sie Stickstoff wieder in die Luft frei.
Diese gesamten Kreisläufe bewegen 250-300 Mio t, was erst ein Millionstel des Stickstoffs der Atmosphäre ausmacht. Der Luftstickstoff ist aber "fest" gebunden, daher bewirken die im Vergleich zu den verfügbaren Anteilen erheblichen Emissionen von Stickoxiden aus Verbrennung (besonders Kraftfahrzeuge) und Ammoniak aus Massentierhaltung massive Umweltprobleme. Die verschiedenen NO- und NH-Verbindungen führen zu Eutrophierung (Überdüngung) und belasten Grundwasser durch Nitratauswaschung sowie Lebensmittel. Stickoxide wirken darüberhinaus als Säurebildner ("Saurer Regen").
Negative Einflüsse
Stickstoff-Kreislauf im Fischteich
und seine Störung
Weblinks