Stickstoffkreislauf

Der Stickstoffkreislauf ist die stetige Wanderung und Umlagerung des Bioelementes Stickstoff im System der Atmosphäre über die Biomasse und den Boden.

Der Kreislauf, kurzgefasst

Stickstoff wird von allen Lebewesen benötigt, da er Bestandteil von Aminosäuren in Proteinen, von DNA 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 Wurzeln 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.

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.

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

• etwa 70 kg/m² in Gesteinen der Lithosphäre als Salpeter,
• und ca. 10 kg/m² in der Hydrosphäre und Biosphäre. Der biotische Anteil befindet sich
• in den Lebewesen,
• in toter Biomasse
• und in Humussubstanzen des Bodens bzw. Wassers.
• 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 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.

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 Reduktion

von 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.

Nitrit, Nitrat und Ammonifikation

Pflanzen können zwar Ammonium (NH₄⁺) aufnehmen, bevorzugen aber Nitrate (NO₃^-), 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:

Das nun von den Pflanzen aufgenommene Nitrat wird in organische Verbindungen wie Proteine umgesetzt, NO₃ → Aminogruppe NH₂

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

Negative Einflüsse

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").

Stickstoff-Kreislauf im Fischteich

• 1. Zuviele Fische, Fütterung, Pflanzenreste und Laub reichern das Teichwasser mit organischem Material an; auch zum Nachfüllen verwendetes Regenwasser aus Zisternen, Pollenflug und Gartendünger tragen zur Überdüngung des Teiches bei.
• 2. Mikroorganismen zersetzen das organische Eiweiß unter Verbrauch von Sauerstoff zu Ammonium bzw. dem giftigen Ammoniak. Letzteres wird ab pH-Wert 8,5 bedrohlich (Optimum bei 7-8).
• 3. Nitrosomonas-Bakterien wandeln beides in Nitrit um (Nitritation oder Nitrifikation). Es ist zwar ebenso giftig für Fische, wird jedoch bald
• 4. von Nitrobacter in Nitrat umgewandelt (Nitration). Dieses Endprodukt des Eiweißabbaus ist wichtiger Nährstoff aller Pflanzen und für Fische ungefährlich.
• 5. Durch Pflanzenreste kommt totes organisches Material in den Teich, was den Kreislauf schließt.

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 kostet viel Sauerstoff, vor allem nachts.
• 3. Wenn die Fische an der Oberfläche nach Luft schnappen, ist dies ein sicherer Hinweis auf Sauerstoffmangel.
• 4. Er lässt sich technisch (durch Pumpen) oder durch Wasserspiele, Bachläufe und Quellsteine korrigieren.
• 5. Dennoch bleibt das Wasser trüb, weil die überschüssigen Nährstoffe noch im Wasser sind und zur nächsten Algenblüte führen.
• 6. Daher ist das überschüssige Nitrat zu entfernen - etwa durch Denitrifikant-Bakterien.

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)