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Stickstoffkreislauf

Der Stickstoffkreislauf oder Stickstoffzyklus ist die stetige Wanderung und biogeochemische Umsetzung des Bioelementes Stickstoff in der Atmosphäre, in Gewässern, in Böden und in Biomasse.

Stickstoff wird benötigt, da er in allen Lebewesen Bestandteil von Aminosäuren in Proteinen und von DNA ist. Doch befindet sich der irdische Stickstoff (1015 Tonnen) zu 99 % in der Erdatmosphäre, von wo ihn nur spezielle Bakterien, insbesondere Cyanobakterien, Knöllchenbakterien, und – durch Symbiose mit derartigen Bakterien an bzw. in ihren Wurzeln – auch einige wenige Pflanzen aufnehmen können. Alle anderen Pflanzen und die Tiere sind auf den Stickstoffkreislauf in der Biosphäre angewiesen.

Dass dieser Kreislauf trotz seiner Engpässe funktioniert, zeigen Stoffbilanzen und Abschätzungen. Demnach wurde der verfügbare Stickstoff während der Erdgeschichte schon 900- bis 1000-mal von Lebewesen in ihren Körper eingebaut und wieder ausgeschieden, während er jedoch rund 900.000-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 wieder ausgeschieden.

Inhaltsverzeichnis

N2-Fixierung

Hauptartikel: Diazotrophie

Die Moleküle des Luftstickstoffs (N2) bestehen aus je zwei kovalent über eine Dreifachbindung mit einander verbundenen Stickstoffatomen. Da diese Dreifachbindung nur unter sehr hohem Energieaufwand aufgebrochen werden kann, ist der Luftstickstoff sehr reaktionsträge und kann weder von Pflanzen noch von Tieren direkt für die Biosynthese etwa von Proteinen genutzt werden. Drei Gruppen von Prokaryoten aus der Domäne der Bakterien sind dazu aber in der Lage:

Oft leben diese Prokaryoten in Symbiose mit Pflanzen. Rhizobium etwa fixiert N2 in Symbiose mit Schmetterlingsblüten-Gewächsen (Fabaceae). Frankia lebt in Symbiose mit verschiedenen Arten der Erle, beispielsweise Alnus glutinosa, aber auch mit dem Sanddorn oder der exotischen Kasuarina Casuarina equisetifolia.

Nitrifikation

Hauptartikel: Nitrifikation

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:

Pflanzen können zwar Ammonium (NH4+) assimilieren, bevorzugen aber Nitrat (NO3), wobei der Boden nicht angesäuert wird.

Stickstoffassimilation

Die anorganischen Stickstoffverbindungen Ammonium und Nitrat werden von Pflanzen und Mikroorganismen aufgenommen und zum Aufbau von stickstoffhaltigen organischen Verbindungen, zum Beispiel Proteinen und Nukleinsäuren, verwendet.

Ammonifikation

Hauptartikel: Ammonifikation

Durch Primärproduzenten sowie Primär- und Sekundärkonsumenten (siehe Nahrungskette) wird ständig organisches Material in Form von Exkrementen sowie abgestorbener Materie freigesetzt. Diese enthält u.a. Stickstoff. Destruenten (Zersetzer wie Pilze und Bakterien) setzen diesen Stickstoff als Ammoniak (NH3) bzw. Ammonium-Ionen (NH4+) frei. Diese stehen dem Ökosystem wieder als anorganischer, von autotrophen Organismen (Pflanzen u.a.) verwertbarer Mineralstoff zur Verfügung.

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

Hauptartikel: Denitrifikation

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

Bedeutung der Umsetzungen

Diese Umsetzungen im Stickstoff-Kreislauf bewegen insgesamt 250-300 Mio t jährlich, was erst ein Millionstel des Stickstoffs der Atmosphäre ausmacht. Der Luftstickstoff ist aber reaktionsträge, weil er mittels einer Dreifachbindung "fest" gebunden ist. Die erheblichen Emissionen von Stickoxiden aus Verbrennungen (besonders Kraftfahrzeuge) und von Ammoniak aus Düngemittelproduktion und Tierhaltung können zu Umweltproblemen führen. Die verschiedenen N-O- und N-H-Verbindungen können zur Eutrophierung (Überdüngung) von Böden und Gewässern führen. Das Grundwasser wird durch Nitratauswaschung aus den Böden belastet. Stickoxide wirken darüber hinaus als Säurebildner ("Saurer Regen").

Stickstoffkreislauf in Seen

Der organisch gebundene Stickstoff, zum Beispiel in toter Biomasse, wird durch Destruenten in der tropholytischen Schicht zu Ammoniak (NH3) umgewandelt, das mit Wasser Ammonium-Ionen (NH4+) ergibt (NH3 + H2O → NH4+ + OH).

Unter aeroben Verhältnissen oxidieren aerobe Bakterien das freigesetzte Ammoniak bei der Nitrifikation erst zu Nitrit (NO2) und dann zu Nitrat (NO3).

Liegen 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 Proteine. 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 Ammoniak 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 Fische, Fütterung, Pflanzenreste und Laub reichern das Teichwasser mit organischem Material an, in dem Stickstoff-Verbindungen enthalten sind. Auch zum Nachfüllen verwendetes Regenwasser aus Zisternen, Pollenflug und Gartendünger tragen zur Überdüngung des Teiches bei.
  2. Mikroorganismen zersetzen die Biomasse unter Verbrauch von Sauerstoff und setzen dabei den enthaltenen Stickstoff als Ammonium bzw. giftiges Ammoniak 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 Nitrat (Nitrifikation). Dieses Endprodukt des Eiweißabbaus ist wichtiger Mineralstoff 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.

Behebung der Störungen

  1. Sauerstoffmangel lässt sich technisch beheben, indem Sauerstoff aus der Luft eingebracht wird, z. B. durch Umpumpen des Wassers, Wasserspiele, Bachläufe und Quellsteine.
  2. Dennoch bleibt das Wasser trüb, weil die überschüssigen Mineralstoffe noch im Wasser sind und zur nächsten Algenblüte führen. Darum ist das überschüssige Nitrat zu entfernen - etwa durch bakterielle Denitrifikation.

Siehe auch