In der Arbeit werden die Teilprozesse des Stickstoffkreislaufs mit Erklärung entsprechender Reaktionsprozesse beschrieben. Zu diesen Prozessen zählen die Stickstofffixierung, Ammonifikation, Nitratreduktion sowie die Denitrifikation.
Stickstoff wird in der Erdatmosphäre permanent durch natürliche und künstliche Mechanismen aus der Luft entzogen und ihr wieder zugeführt. Alle diese Prozesse machen in ihrer Gesamtheit den Stickstoffkreislauf aus. Unsere Atmosphäre besteht zu annähernd 78 Prozent aus gasförmigem elementaren Stickstoff, den die meisten terrestrischen Organismen in dieser Form nicht umsetzen können. Dieser Stickstoff wird jedoch von allen Lebewesen benötigt, um Aminosäuren in Proteine, Nukleinsäuren und relevante Betriebsstoffe aufzubauen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
2 Der Stickstoffkreislauf
3 Der menschliche Einfluss auf den Stickstoffkreislauf
4 Literaturverzeichnis
1 Einführung
Stickstoff wird in der Erdatmosphäre permanent durch natürliche und künstliche Mechanismen aus der Luft entzogen und ihr wieder zugeführt. Alle diese Prozesse machen in ihrer Gesamtheit den Stickstoffkreislauf aus (vgl. Mortimer, S. 406). Unsere Atmosphäre besteht zu annähernd 78 Prozent aus gasförmigem elementaren Stickstoff (N2), den die meisten terrestrischen Organismen in dieser Form nicht umsetzen können. Dieser Stickstoff wird jedoch von allen Lebewesen benötigt, um Aminosäuren in Proteine, Nukleinsäuren und relevante Betriebsstoffe aufzubauen.
Elementarer Stickstoff ist sehr reaktionsträge, was auch im positiven Wert der Entropie 191,6 J/(mol*K) (vgl. Wikipbooks.org) zu erkennen ist. Daher können trotz der Wichtigkeit für biologische Prozesse nur wenige Mikroorganismen durch die Stickstofffixierung den Luftstickstoff umwandeln (vgl. Purves, S. 1625), sodass dieser als Ammonium (NH4+) und Nitrat (NO3-) von Pflanzen aufgenommen werden kann (vgl. Goppel, S. 83). Dieser „verwertbare[…] Stickstoff [stellt] in Ökosystemen häufig eine begrenzte Ressource dar.“ (Purves S. 1625). Stickstoff in der veränderten Form wird zum Bestandteil pflanzlicher und tierischer Eiweißstoffe. Auf anderem Wege – beispielsweise durch Blitzentladungen bei Unwettern – reagiert der Luftstickstoff mit Luftsauerstoff über Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2), das wiederum mit Wasser zu Salpetersäure reagiert und so in den Erdboden gelangt. Dort wird diese saure Verbindung neutralisiert und ebenfalls in Nitrate überführt (vgl. Mortimer, ebd.). Dies wird auch als atmosphärische Deposition bezeichnet (vgl. Goppel, ebd.)
Im Hauptteil der folgenden Ausarbeitung werden die Teilprozesse des Stickstoffkreislaufs mit Erklärung entsprechender Reaktionsprozesse beschrieben. Zu diesen Prozessen zählen die Stickstofffixierung, Ammonifikation, Nitratreduktion, sowie die Denitrifikation.
2 Der Stickstoffkreislauf
2.1 Stickstofffixierung
Der Prozess der Stickstofffixierung beschreibt die Reduktion des elementaren Stickstoffs in der Luft (N2) zu Ammoniak (NH3). Hierbei handelt es sich um den einzigen biologischen Mechanismus, der Luftstickstoff in eine für Organismen verwertbare Verbindung umwandelt. Durch Stickstofffixierung entstehen Verbindungen, die deutlich reaktiver sowie bioverfügbar sind. Sie findet ausschließlich bei prokaryotischen Bakterien statt (vgl. Beijerink/Winogradskij).
Reduktion von elementarem Stickstoff zu Ammoniak: 0N2 + 3 0H2 ® 2 -iiiNiH3 Erstes fassbares Produkt der Reduktion ist die Schlüsselverbindung Ammoniak, von der alle Stickstoffverbindungen in Industriechemie und biochemischen Prozessen abgeleitet werden. Stickstoff muss immer in das Ammonium-Kation (NH4+) oder Nitrat-Anion (NO3-) umgewandelt werden, um von höheren (Tieren und) Pflanzen zum Aufbau ihrer spezifischen Zellmasse umgesetzt zu werden. Man spricht von der so genannten Stickstoffassimilation (vgl. Hopp, S. 123).
2.2 Ammonifikation
Ammoniak ist einerseits das Ergebnis der Reduktion während der Stickstoff-Fixierung sowie andererseits Teilprozess des Abbaus organischer Stoffe in Ökosystemen. Zahlreiche Destruenten spalten Ammoniak aus organischen Verbindungen durch Hydrolyse oder Desaminierung ab (vgl. Klotz/Stein S. 148ff.). Alles überschüssige Ammoniak, das nicht von den Organismen aufgenommen beziehungsweise verwertet wird, gelangt als Überschussprodukt zurück in den Erdboden. Die meisten Böden – vor allem in humiden Klimabereichen, sind etwas saurer. So wird das Ammoniak protoniert; auf diesem Wege entstehen Ammonium-Kationen, die wiederum von höheren Organismen aufgenommen werden können. Liegt der pH-Wert der Böden höher – ist also neutral oder alkalisch, gast das Ammoniak aus und bildet erst in der Atmosphäre Ammonium. Der pH-Wert des Erdbodens bestimmt somit die Ammonium-Konzentration im Niederschlag (vgl. Goppel, S. 84).
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2.3 Nitrifikation
Nitrifikation spielt im Stickstoffzyklus eine entscheidende Rolle; aus Biomasse freigesetztes Ammoniak oder auch Ammonium-Ionen werden schrittweise wieder in bioverfügbares Nitrat überführt (vgl. Hilberg, S. 232). Dies geschieht in Form von Oxidation durch Bakterien zu Nitrat (NO3-) in zwei verknüpften Teilschritten, die von verschiedenen nitrifizierenden Bakterienformen umgesetzt werden. Zuerst wird das Ammoniak durch Nitrosomonas zu Nitrit (NO2-) oxidiert (I.), das selbst wiederum im darauffolgenden Prozess durch Nitrobacter zu Nitrat oxidiert (II.) (vgl. Hopp, S. 126). Am schnellsten geht dies in Böden mit guter Sauerstoffsättigung sowie einem pH-Wert zwischen 5,5 – 8 und einer Temperatur von 25 – 30 °C vonstatten (vgl. Goppel, S. 85f.).
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2.4 Nitratreduktion
Herrschen sauerstofffreie Bedingungen, können bestimmte Pflanzen Nitrat – stellvertretend für den Luftsauerstoff, als Energie lieferndes Oxidationsmittel für die Oxidation von organischem Material oder elementarem Wasserstoff heranziehen. Nitrat wird dabei in zwei Teilschritten reduziert; das für viele Organismen toxische Nitrit entsteht im Cytoplasma der Pflanzenzelle als Zwischenprodukt (I.), das in den Plastiden weiter zum Ammoniak reduziert wird (II.) (vgl. Purves, S. 1012).
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2.5 Denitrifikation
Die Denitrifikation beschreibt explizit die teilschrittige „Reduktion von Nitrat [über Nitrit und Stickoxide] zu elementarem Stickstoff […] in sauerstofffreien Milieu[s] beim oxidativen Abbau von organischem Kohlenstoff.“ (Hilberg, S. 229). Durch diesen Prozess wird der Stickstoff aus der Biosphäre entfernt und erneut der Atmosphäre in Form von N2 zugeführt. Die Denitrifikation ist der Umkehrprozess zur atmosphärischen Deposition (vgl. Goppel, S. 83).
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3 Der menschliche Einfluss auf den Stickstoffkreislauf
Auch der Mechanismus des Stickstoffkreislaufs wird wie zahlreiche andere fragile Funktionen des Ökosystems Erde erheblich durch den Menschen beeinflusst. Durch Abholzungen und die Verwendung stickstoffhaltiger Dünger erhöht der Mensch die Nitratauswaschung und auf diesem Wege ebenso die Nitratkonzentration der Gewässer (vgl. Goppel, S. 108). Ein Großteil dieser Stickstoffeinträge stammt aus in den letzten 40 Jahren des 20. Jahrhunderts verwendetem Dünger, welcher Stickstoffverbindungen enthielten. Diese wurden derart ineffizient von den Nutzpflanzen aufgenommen, sodass annähernd zwei Drittel der Stickstoffverbindungen durch Auswaschung ins Grundwasser gelangten (vgl. National Science Foundation). Gleichwohl wird das Vorkommen elementaren Stickstoffs in der Atmosphäre beeinflusst, da durch zahlreiche technische Vorgehensweisen eben dieser – ähnlich der atmosphärischen Deposition, entfernt wird. Durch die erhöhte Nitratkonzentration erhöht sich die Rate, in der die Denitrifikation vonstattengeht, sowie die Freisetzung gasförmiger Stickstoffverbindungen wie beispielsweise Ammoniak, das Bestandteil bereits erwähnter Düngemittel ist. Zusätzlich dazu gelangen Stickoxide, die bei der Umsetzung von Brennstoffen entstehen, in die Atmosphäre und werden dort zügig in Salpetersäure umgewandelt, was unter anderem für das Phänomen des ‚Sauren Regens‘ in der Nähe industrieller Stätten verantwortlich ist (vgl. Goppel, ebd.).
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- Quote paper
- Zahra Kouzbour (Author), 2019, Der Stickstoffkreislauf im Ökosystem Erde. Teilprozesse und menschlicher Einfluss, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/593586
