Der Stickstoffkreislauf unseres Planeten

Stickstoff ist ein wichtiger Nährstoff aller Lebewesen. In der Umwelt zirkuliert er in verschiedenen Formen zwischen Luft, Lebewesen, Boden, Wasser und Gesteinen.

Der Stickstoffkreislauf unseres Planeten

Lebewesen wandeln Stickstoffverbindungen um und nutzen sie dabei für den Aufbau von körpereigenen Stoffen oder zum Energiegewinn. Bild: Wikimedia Commons, CC-Lizenz

Der Stickstoffkreislauf beschreibt die Umwandlung und die Wanderung des Elements Stickstoff durch biologische, chemische und geologische Prozesse an Land, im Wasser und in Lebewesen. Die Lebewesen spielen dabei die wichtigste Rolle, da sie Stickstoff sowohl für den Aufbau von körpereigenen Stoffen als auch für den Energiegewinn in verschiedene anorganische und organische Formen umwandeln.

Der Mensch beeinflusst den natürlichen Stickstoffkreislauf, indem er beispielsweise synthetischen Dünger in der Landwirtschaft einsetzt.

Die Aufnahme von Stickstoff als Nahrung

Wurzel mit Knöllchen

Die Knöllchen an dieser Wurzel enthalten Bakterien, die Stickstoff aus der Luft (N2) in den Pflanzennährstoff Ammonium umwandeln. Bild: Wikimedia Commons, CC-Lizenz

Der grösste Stickstoffspeicher auf der Erde ist die Atmosphäre, die zu 78% aus molekularem Stickstoff (N2) besteht. Dieser ist sehr reaktionsträge und kann von Organismen nicht direkt als Nährstoff verwendet werden. Sogenannte Knöllchenbakterien, die in Symbiose mit Pflanzen leben, sowie andere spezielle Mikroorganismen im Boden oder im Wasser können aber N2 in den Nährstoff Ammonium (NH4+) umwandeln. Dies nennt man Stickstofffixierung. Auch Blitze können mit ihrer grossen Energie N2 in der Atmosphäre umwandeln: Dabei entstehen Stickoxide (zusammengefasst als NOx), die dann mit dem Regen in den Boden eingetragen werden.

Ammonium ist ein anorganischer Stoff, er enthält keinen Kohlenstoff. Er wird aber von Pflanzen (zum Teil mithilfe von Pilzen) oder von Mikroorganismen aufgenommen und in organische Verbindungen umgewandelt. Stickstoff wird vor allem in Proteine, die DNA oder bestimmte Fette eingebaut. Innerhalb der Nahrungskette gelangt der Stickstoff von einem Lebewesen zum anderen, zum Beispiel von der Pflanze zu Insekten, Vögeln und Säugetieren. Tiere bauen mithilfe ihres Verdauungssystems organische Bestandteile in ihren Körper ein.

Die Umwandlung von Stickstoff zur Energiegewinnung

Vereinfachte Darstellung zweier Nahrungsketten

Durch die Nahrungskette wird organisch gebundener Stickstoff von einem Organismus zum nächsten weitergegeben. Bild: LadyofHats/Wikimedia Commons

Stickstoff dient nicht nur als Baustoff, sondern einigen Lebewesen auch als Energiequelle: Totes organisches Material wird von sogenannten Destruenten zersetzt, zu denen viele Arten von Bakterien und Pilzen gehören. Sie wandeln den organischen Stickstoff unter Energiegewinn in anorganisches Ammonium um, das als Nährstoff wieder in die Umwelt gelangt.

Auch Ammonium oder Nitrat wird von gewissen Mikroorganismen zum Energiegewinn verwendet. Durch den Prozess der Nitrifizierung wird Ammonium mithilfe von Sauerstoff erst in Nitrit (NO2-) und dann in Nitrat (NO3-) umgewandelt. Unter Sauerstoffabschluss kann Nitrat dann in mehreren Schritten zu N2 umgesetzt werden, was den Stickstoffkreislauf schliesst.

Speicherung und Transport von Stickstoff

Durch Lebewesen wurde in den letzten Milliarden Jahren viel N2 in andere Stickstoffformen umgewandelt. Viel Stickstoff ist heute als lebendes oder totes organisches Material oder als anorganischer Nährstoff in Böden oder im Wasser gespeichert. Aber auch globale Transporte spielen eine Rolle. Flüsse transportieren Stickstoff in Form von weggespültem Boden, Pflanzenteilen oder gelösten Stickstoffverbindungen zu Seen oder in die Ozeane. Durch Waldbrände oder Vulkanausbrüche werden Stickoxide in die Luft freigesetzt. Stickstoffhaltige Gesteine an der Erdoberfläche, wie die Sedimentgesteine, setzen bei ihrer Verwitterung Stickstoff frei. Neue Gesteine, die Stickstoff enthalten, entstehen zum Beispiel am Meeresgrund, wo organisches Material absinkt und verfestigt wird.

Für Fortgeschrittene: Es gibt unzählige natürliche Möglichkeiten der Stickstoffumwandlung

Neben den hier vorgestellten Prozessen im Stickstoffkreislauf gibt es noch viele andere mikrobielle oder chemische Prozesse, die Stickstoffverbindungen umwandeln. Unter den biologischen Prozessen ist zum Beispiel die anaerobe Oxidation von Ammonium, kurz „Anammox“, von Bedeutung. Hier wandeln spezielle Bakterien Nitrit und Ammonium in N2 um.

Ausserdem gibt es viele unterschiedene Vorgänge, bei denen auf natürliche Art und Weise das wichtige Treibhausgas Lachgas (N2O) entsteht und zum Teil auch in die Atmosphäre entweicht. Lachgas kann zum Beispiel als Zwischen- oder Nebenprodukt von Nitrifizierung oder Denitrifizierung oder als Folge einer chemischen Reaktion zwischen Nitrit und Eisen entstehen. Viele natürliche Prozesse, bei denen Stickstoff umgewandelt wird, werden von Wissenschaftlern noch nicht genau verstanden und weiterhin erforscht.

 

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