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Stoffkreisläufe einfach erklärt: Ablauf und Beispiele
In einem Stoffkreislauf werden chemische Elemente und Verbindungen zwischen Lebewesen und unbelebter Umwelt weitergegeben, umgewandelt und erneut verfügbar. Die Stoffe verschwinden dabei nicht einfach, sondern wechseln ihren Speicher und häufig auch ihre chemische Form.
Auf dieser Seite lernst du, den Grundablauf zu erklären, Kohlenstoff-, Stickstoff- und Wasserkreislauf zu vergleichen und Störungen eines Kreislaufs zu beurteilen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Warum müssen Stoffe im Kreis geführt werden?
Lebewesen benötigen Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor. Diese Elemente sind begrenzt. Deshalb müssen sie nach ihrer Nutzung wieder verfügbar werden.
Stoffkreislauf
Ein Stoffkreislauf ist die wiederholte Aufnahme, Weitergabe, Umwandlung und Rückführung eines Stoffes zwischen verschiedenen Speichern. Daran wirken biologische, chemische und geologische Prozesse mit.
Ein Speicher, auch Stoffpool genannt, ist ein Bereich, in dem sich ein Stoff zeitweise befindet. Das können zum Beispiel die Atmosphäre, ein See, der Boden oder die Biomasse eines Waldes sein.
Ein Stofffluss ist der Transport von einem Speicher in einen anderen. Pflanzen verschieben etwa Kohlenstoff aus der Atmosphäre in ihre Biomasse, wenn sie Kohlenstoffdioxid aufnehmen.
Stoffkreisläufe sind dynamisch. Ihre Speicher bleiben nicht ständig gleich groß, und Stoffe müssen nicht sofort an ihren Ausgangspunkt zurückkehren. Manche Wege dauern Stunden oder Tage, andere viele Jahre.
Ein Kreislauf besteht aus Speichern, Stoffflüssen und Umwandlungen. Er ist kein starrer Ring mit überall gleich großen Stoffmengen.
Wer hält den ökologischen Kreislauf in Gang?
In einem Ökosystem übernehmen drei Gruppen unterschiedliche Aufgaben: Produzenten bauen Biomasse auf, Konsumenten übernehmen organische Stoffe mit der Nahrung und Destruenten zerlegen organische Reste.
Produzenten
Produzenten stellen aus anorganischen Ausgangsstoffen organische, körpereigene Stoffe her. Grüne Pflanzen und Algen nutzen dazu bei der Photosynthese Lichtenergie, Kohlenstoffdioxid und Wasser.
Konsumenten
Konsumenten nehmen organische Stoffe auf, indem sie Pflanzen oder andere Tiere fressen. Einen Teil bauen sie in den eigenen Körper ein. Einen anderen Teil geben sie durch Atmung, Ausscheidungen oder später als tote Biomasse weiter.
Destruenten
Destruenten wie viele Bakterien und Pilze bauen tote Lebewesen, Laub und Ausscheidungen ab. Dabei führen sie gebundene Elemente in Formen zurück, die erneut in die unbelebte Umwelt und zu Produzenten gelangen können.
Vollständiges Beispiel: Ein Blatt im Wald
- Ein Baum nimmt Kohlenstoffdioxid aus der Luft, Wasser und mineralische Nährstoffe auf. Mit Lichtenergie baut er daraus Biomasse auf.
- Eine Raupe frisst einen Teil des Blattes. Kohlenstoff und andere Elemente gelangen dadurch in ihren Körper.
- Die Raupe nutzt einen Teil der organischen Stoffe bei der Zellatmung. Dabei wird unter anderem Kohlenstoffdioxid freigesetzt.
- Abgefallene Blattreste und Ausscheidungen gelangen auf den Waldboden.
- Destruenten bauen die organischen Reste ab. Kohlenstoff wird unter anderem als Kohlenstoffdioxid abgegeben; mineralische Nährstoffe werden im Boden wieder verfügbar.
- Der Baum kann diese Stoffe erneut aufnehmen.
Der entscheidende Gedanke: Nicht eine einzige Nahrungskette bildet den Kreislauf. Erst die Rückgabe aus Atmung, Ausscheidungen und Zersetzung ermöglicht die erneute Nutzung.
Wie unterscheiden sich wichtige Stoffkreisläufe?
Das Grundprinzip ist ähnlich, doch Stoffe besitzen unterschiedliche Speicher und Umwandlungswege.
| Kreislauf | Wichtige Speicher | Beispiele für Stoffflüsse und Umwandlungen |
|---|---|---|
| Kohlenstoff | Atmosphäre, Gewässer, Biomasse, Böden, Carbonatgestein und fossile Lagerstätten | Photosynthese, Nahrung, Zellatmung, Zersetzung und Verbrennung |
| Stickstoff | Atmosphäre, Biomasse und organische Bodensubstanz | Stickstofffixierung, Aufnahme durch Pflanzen, Nahrung, Ammonifikation, Nitrifikation und Denitrifikation |
| Wasser | Meere, Seen, Flüsse, Boden, Grundwasser, Eis, Atmosphäre und Lebewesen | Verdunstung, Transport, Niederschlag, Abfluss und Versickerung |
Kohlenstoff
Produzenten nehmen Kohlenstoffdioxid auf und bauen Kohlenstoff in organische Stoffe ein. Über Nahrung gelangt er zu Konsumenten. Produzenten, Konsumenten und Destruenten geben bei der Zellatmung Kohlenstoffdioxid ab. Unter Sauerstoffmangel kann beim Abbau auch Methan entstehen.
Ein Teil des Kohlenstoffs wird länger gespeichert, etwa in Böden, Carbonatgestein oder fossilen Lagerstätten. Die Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas verlagert Kohlenstoff aus solchen Langzeitspeichern als zusätzliches Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre.
Wasser
Sonnenenergie lässt Wasser verdunsten. Wasserdampf wird in der Atmosphäre transportiert und kehrt als Regen, Schnee oder Eis zurück. Wasser fließt oberirdisch ab oder versickert. Grundwasser kann später in Quellen, Flüsse, Seen und Meere gelangen. Auch Wasser in Lebewesen ist Teil dieses Kreislaufs.
Gleiche Grundidee, andere Wege: Beim Kohlenstoff sind chemische Umwandlungen besonders wichtig. Beim Wasser stehen Phasenwechsel und Transport im Vordergrund. Beim Stickstoff sind mehrere bakterielle Umwandlungen unverzichtbar.
Wie gelangt Luftstickstoff zu Pflanzen?
Die Atmosphäre enthält viel molekularen Stickstoff, also $N_2$. Grüne Pflanzen können diese Form jedoch nicht direkt verwerten. Erst bestimmte Mikroorganismen und weitere Umwandlungen machen Stickstoff für Pflanzen verfügbar.
- Stickstofffixierung: Bestimmte Bakterien wandeln $N_2$ in Ammoniak beziehungsweise Ammoniumverbindungen um. Knöllchenbakterien leben beispielsweise gemeinsam mit Leguminosen an deren Wurzeln.
- Nitrifikation: Bei ausreichender Sauerstoffversorgung oxidieren Bakterien Ammonium zunächst zu Nitrit und anschließend zu Nitrat.
- Assimilation: Pflanzen nehmen vor allem Ammonium oder Nitrat auf und bauen den Stickstoff in Aminosäuren und Proteine ein.
- Nahrungstransfer: Tiere erhalten Stickstoff, indem sie Pflanzen oder andere Tiere fressen.
- Ammonifikation: Destruenten bauen organische Stickstoffverbindungen aus Ausscheidungen und toter Biomasse ab. Dabei entsteht wieder Ammonium.
- Denitrifikation: Bei Sauerstoffmangel können bestimmte Bakterien Nitrat bis zu gasförmigem Stickstoff umwandeln. Dieser gelangt zurück in die Atmosphäre.
Bedingungen wie Sauerstoffversorgung, Wassergehalt, Temperatur und Säuregrad des Bodens beeinflussen die Aktivität der beteiligten Mikroorganismen. Deshalb laufen die Umwandlungen nicht in jedem Boden gleich schnell ab.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Bei der wird molekularer Luftstickstoff in gebundene Formen überführt. Die Oxidation von Ammonium über Nitrit zu Nitrat heißt . Der Abbau organischer Stickstoffverbindungen zu Ammonium heißt . Bei der kann Nitrat wieder in gasförmigen Stickstoff überführt werden.
Warum ist Energie kein Stoffkreislauf?
Stoffe und Energie werden in einem Ökosystem gemeinsam übertragen, verhalten sich aber unterschiedlich.
Stoffe wechseln ihre Form und ihren Speicher. Kohlenstoff kann beispielsweise aus der Atmosphäre in eine Pflanze, weiter in ein Tier und durch Atmung oder Zersetzung wieder in die Umwelt gelangen.
Energie strömt dagegen durch das System. Sie gelangt überwiegend als Sonnenlicht hinein, wird bei der Photosynthese chemisch gebunden und mit Nahrung weitergegeben. Bei jeder Umwandlung wird ein Teil schließlich als Wärme an die Umgebung abgegeben. Diese Energie steht den Produzenten nicht erneut als ursprüngliches Sonnenlicht zur Verfügung.
Stoffe zirkulieren, Energie fließt. Ein Ökosystem braucht deshalb fortlaufend Energie von außen, obwohl es viele Stoffe wiederverwendet.
Wodurch geraten Stoffkreisläufe aus dem Gleichgewicht?
In einem Fließgleichgewicht können Zu- und Abflüsse über einen betrachteten Zeitraum ähnlich groß sein, obwohl ständig Stoff transportiert wird. Das bedeutet nicht, dass alle Speicher unverändert bleiben oder jede Störung automatisch ausgeglichen wird.
Menschliche Eingriffe können Speichergrößen und Fließraten verändern:
- Die Verbrennung fossiler Stoffe verlagert zusätzlichen Kohlenstoff in die Atmosphäre.
- Düngung führt Agrarökosystemen große Nährstoffmengen zu. Ein Teil wird mit der Ernte entnommen; weitere Anteile können durch Auswaschung, Erosion oder Ausgasung verloren gehen.
- Der Verlust von Biomasse oder Bodenhumus verkleinert wichtige Nährstoffspeicher.
- Schadstoffe und Schwermetalle können Böden und Gewässer belasten.
- Wandernde Tiere können Stoffe zwischen Ökosystemen transportieren. Dieser räumliche Transport heißt Translokation.
So beurteilst du eine Veränderung
- Lege die Systemgrenze fest: Betrachtest du einen Boden, einen Wald oder den ganzen Planeten?
- Nenne den betroffenen Stoff und seine wichtigen Speicher.
- Bestimme, welcher Zu- oder Abfluss verändert wird.
- Prüfe, welcher Speicher dadurch wächst oder schrumpft.
- Beschreibe mögliche Folgen und vermeide die Behauptung, ein natürlicher Kreislauf könne jede zusätzliche Menge ausgleichen.
Ein Feld erhält Stickstoffdünger. Das ist zunächst ein zusätzlicher Zufluss in den betrachteten Boden. Pflanzen können einen Teil aufnehmen. Weitere Anteile können im Boden gespeichert, mit der Ernte entfernt, ausgewaschen oder gasförmig abgegeben werden.
Die Aussage „Der Stickstoff bleibt im Kreislauf, also ist die Menge unwichtig“ ist falsch. Entscheidend sind die Stoffmenge, ihre chemische Form, der betroffene Speicher, die Fließraten und die gewählte Systemgrenze.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Stoffkreisläufe
- Speicher: Atmosphäre, Wasser, Boden und Biomasse
- Flüsse: Aufnahme, Nahrung, Ausscheidung und Transport
- Produzenten: Aufbau organischer Stoffe
- Konsumenten: Weitergabe über Nahrung
- Destruenten: Abbau und Rückführung
- Beispiele: Kohlenstoff, Stickstoff und Wasser
- Bedingungen: Sauerstoff, Wasser, Temperatur und Systemgrenze
- Störungen: Zusatzeinträge, Austräge und Speicherverlust
- Abgrenzung: Stoffe zirkulieren, Energie fließt
Abschluss-Check
Du hast das Grundprinzip verstanden, wenn du einen Stoff durch seine Speicher verfolgen, die Aufgaben der Organismengruppen erklären und die Wirkung eines veränderten Zu- oder Abflusses begründet vorhersagen kannst.