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Stickstoffkreislauf einfach erklärt
Der Stickstoffkreislauf zeigt, wie Stickstoff zwischen Atmosphäre, Boden oder Wasser und Lebewesen umgewandelt wird. Pflanzen können den Luftstickstoff $N_2$ nicht direkt nutzen. Erst Mikroorganismen überführen ihn in nutzbare Verbindungen; andere Mikroorganismen geben ihn später wieder als $N_2$ an die Atmosphäre zurück.
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Warum Stickstoff erst umgewandelt werden muss
Etwa 78 % der Atmosphäre bestehen aus molekularem Stickstoff $N_2$. Lebewesen benötigen Stickstoff unter anderem für Aminosäuren, Proteine und Nukleinsäuren wie die DNA.
Reaktiver Stickstoff
Als reaktiven Stickstoff bezeichnet man Stickstoffverbindungen, die leichter an chemischen und biologischen Reaktionen teilnehmen als $N_2$. Dazu gehören Ammonium $NH_4^+$, Nitrit $NO_2^-$ und Nitrat $NO_3^-$. Pflanzen nehmen vor allem Ammonium und Nitrat auf.
Die starke Dreifachbindung im $N_2$ macht das Molekül reaktionsträge. Die meisten Lebewesen können diese Bindung nicht aufbrechen. Deshalb ist viel Stickstoff vorhanden, aber nicht automatisch biologisch verfügbar.
Vorhanden bedeutet nicht nutzbar: Erst die Umwandlung von $N_2$ macht Luftstickstoff für Pflanzen zugänglich.
Wie der Kreislauf Schritt für Schritt funktioniert
Der Kreislauf lässt sich in fünf zentrale Vorgänge gliedern. Sie bilden keine starre Einbahnstraße, sondern ein Netz wiederkehrender Umwandlungen.
1. Stickstofffixierung
Stickstofffixierung
Stickstofffixierende Bakterien wandeln $N_2$ in Ammoniak $NH_3$ beziehungsweise Ammonium $NH_4^+$ um. Dazu gehören frei lebende Mikroorganismen und Knöllchenbakterien an den Wurzeln von Leguminosen wie Klee.
2. Nitrifikation
Nitrifikation
Unter sauerstoffreichen Bedingungen oxidieren spezialisierte Bakterien Ammonium zuerst zu Nitrit und danach zu Nitrat:
$$NH_4^+ \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO_3^-$$
3. Assimilation
Assimilation
Pflanzen nehmen Ammonium oder Nitrat auf und bauen den Stickstoff in organische Stoffe ein. Über die Nahrung gelangt dieser organisch gebundene Stickstoff zu Konsumenten.
4. Ammonifikation
Ammonifikation
Pilze und Bakterien bauen organische Stickstoffverbindungen aus Ausscheidungen und toter Biomasse ab. Dabei entstehen wieder Ammoniak beziehungsweise Ammonium.
5. Denitrifikation
Denitrifikation
Bei Sauerstoffmangel nutzen denitrifizierende Bakterien Nitrat für ihren Stoffwechsel. Dabei entsteht unter anderem molekularer Stickstoff $N_2$, der in die Atmosphäre zurückkehrt.
Ein Weg durch den ganzen Kreislauf: Knöllchenbakterien an einer Kleewurzel fixieren $N_2$ und bilden Ammonium. Der Klee baut den Stickstoff in Proteine ein. Ein Hase frisst den Klee und übernimmt den organisch gebundenen Stickstoff. Aus Kot oder nach dem Tod des Tieres setzen Destruenten wieder Ammonium frei. Bei genügend Sauerstoff entsteht durch Nitrifikation Nitrat. Gelangt dieses Nitrat in einen sauerstoffarmen Bodenbereich, können denitrifizierende Bakterien daraus wieder $N_2$ bilden. So kehrt Stickstoff in die Atmosphäre zurück.
Welche Organismen welche Aufgabe übernehmen
Produzenten wie Pflanzen und Algen bauen aus aufgenommenen Stickstoffverbindungen eigene Biomasse auf. Konsumenten übernehmen den organisch gebundenen Stickstoff, indem sie Pflanzen oder andere Tiere fressen. Destruenten wie Pilze und Bakterien zerlegen Ausscheidungen und tote Biomasse.
Viele entscheidende Umwandlungen leisten Bakterien: Fixierer erschließen $N_2$, Nitrifizierer bilden Nitrit und Nitrat, und Denitrifizierer führen Stickstoff in die Atmosphäre zurück.
Symbiose
Eine Symbiose ist ein Zusammenleben, von dem beide Partner profitieren. Knöllchenbakterien liefern einer Leguminose nutzbare Stickstoffverbindungen. Die Pflanze versorgt die Bakterien dafür mit organischen Kohlenstoffverbindungen.
In der Nahrungskette Pflanze → Hase → Fuchs wechselt organisch gebundener Stickstoff zwischen Organismen. Er wird dabei nicht neu erzeugt. Ausscheidungen und tote Organismen gelangen zu den Destruenten, die den Stickstoff wieder in den anorganischen Stoffkreislauf überführen.
Warum Sauerstoff die Richtung mitbestimmt
Sauerstoffreiche und sauerstoffarme Bereiche begünstigen verschiedene Prozesse. Nitrifikation benötigt Sauerstoff. Denitrifikation läuft bei Sauerstoffmangel ab. Darum können verschiedene Bereiche im Boden oder unterschiedliche Wasserschichten verschiedene Umwandlungen ermöglichen.
Viel Sauerstoff: Nitrifikation zu Nitrat. Wenig Sauerstoff: Denitrifikation zurück zu gasförmigem Stickstoff.
In einem Gewässer kann ein großer Eintrag von Nährstoffen starkes Pflanzen- und Algenwachstum fördern. Stirbt viel Biomasse ab, verbrauchen Mikroorganismen bei deren Abbau viel Sauerstoff. Der Sauerstoffgehalt kann so weit sinken, dass Fische und andere Organismen gefährdet werden.
Nach einem starken Nährstoffeintrag wächst in einem See zunächst mehr Biomasse. Später fällt mehr totes Material an. Dessen Abbau erhöht den Sauerstoffverbrauch. Die sichtbare Zunahme von Pflanzen oder Algen bedeutet daher nicht automatisch, dass das Ökosystem dauerhaft mehr Leben tragen kann.
Wie Menschen den Kreislauf verändern
Düngung bringt reaktiven Stickstoff auf landwirtschaftliche Flächen. Das kann das Pflanzenwachstum fördern. Übersteigt der Eintrag jedoch die Aufnahme und Rückführung im Ökosystem, entsteht ein Stickstoffüberschuss.
Mögliche Folgen sind:
- Nitrat wird ausgewaschen und gelangt in Grundwasser oder Oberflächengewässer.
- Zusätzliche Nährstoffe verstärken in Gewässern das Wachstum und damit später den Sauerstoffverbrauch beim Abbau.
- Stickstoff kann als Lachgas in die Atmosphäre gelangen; Lachgas ist ein Treibhausgas.
- Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen Stickoxide, die Umwelt und Gesundheit belasten können.
Ein Stoffkreislauf bedeutet nicht, dass jede zusätzliche Stoffmenge sofort vollständig zurückgeführt wird. Entscheidend sind Eintragsmenge, Speicher, Umwandlungsraten und die Bedingungen im Ökosystem.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Stickstoffkreislauf
- Atmosphäre: $N_2$ als großer, schwer nutzbarer Vorrat
- Fixierung: $N_2$ wird zu Ammoniak oder Ammonium
- Nitrifikation: Ammonium wird bei Sauerstoff zu Nitrat
- Assimilation: Pflanzen bauen Stickstoff in Biomasse ein
- Nahrungskette: Konsumenten übernehmen organischen Stickstoff
- Ammonifikation: Destruenten setzen Ammonium frei
- Denitrifikation: Nitrat wird bei Sauerstoffmangel zu $N_2$
- Menschliche Eingriffe: Düngung und Verbrennung verändern Einträge