Name: Svea, H., 2017-06

Der Stickstoffkreislauf

Pflanzen (als Erzeuger), Tiere (als Verbraucher), sowie Pilze und abbauene Mikroorganismen (als Zersetzer) bilden in Ökosystemen Stoffkreisläufe.

Der Stickstoffkreislauf ist die stetige Wanderung und biogeochemische Umsetzung von Stickstoff in der Erdatmosphäre, in Gewässern, in Böden und in Biomasse.

Stickstoff:

Stickstoff wird von allen Lebewesen benötigt, denn er ist Bestandteil von Aminosäuren in Proteinen, von Nukleinsäuren und anderen wichtigen chemischen Stoffen.

Lebewesen nehmen deshalb bei ihrem Wachstum Stickstoff aus der Umgebung auf und er wird nach ihrem Absterben aus der toten Biomasse wieder freigesetzt.

- N₂ ist sehr reaktionsträge, die Dreifachbindung kann nur unter hohem Energieaufwand aufgebrochen werden --> kann weder von Pflanzen, noch von Tieren direkt für die Biosynthese genutzt werden

- Nur spezielle Bakterien (insbesondere Cyanobakterien, Knöllchenbakterien, und – durch Symbiose mit derartigen Bakterien an bzw. in ihren Wurzeln – auch einige wenige Pflanzen können N₂-Stickstoff nutzen

- Alle anderen Pflanzen und die Tiere sind auf Stickstoffverbindungen (bspw. Ammonium (NH₄⁺)- und Nitrat (NO₃⁻)-Ionen als Stickstoffquelle angewiesen

- In der Erdatmosphäre befinden sich 10¹⁵ Tonnen Stickstoff, jedoch fast ausschließlich als molekularer Stickstoff (N₂)

Schritte des Stickstoffkreislaufes:

Stickstofffixierung:

= jegliche Umwandlung elementaren, molekularen Stickstoffs (N₂)

Unterscheidung in:

- biotische Stickstofffixierung (durch Mikroorganismen)

- abiotische Stickstofffixierung (Bildung von Stickoxiden durch Verbrennungen/Blitzschlag)

- technische Stickstofffixierung (z.B. Haber-Bosch-Verfahren)

Drei Gruppen Bakterien sind zur Stickstofffixierung in der Lage:

- Blaugrüne Bakterien (Cyanobakterien früher auch als „Blaugrüne Algen“ oder „Blaualgen“ bezeichnet),

- Bakterien der Gattung Frankia

- Andere Bakterien verschiedener Gattungen wie beispielsweise die Knöllchenbakterien

Sie leben oft in Symbiose mit Pflanzen.

Nitrifikation:

= bakterielle Oxidation von Ammoniak (NH₃) bzw. Ammoniumionen (NH₄⁺) zu Nitrat (NO₃⁻)

Besteht aus zwei gekoppelten Teilprozessen:

1. Ammoniak wird zu Nitrit oxidiert

2. Nitrit wird zu Nitrat oxidiert

- Teilprozesse liefern für beteiligte Organismen ausreichend Energie für Lebensvorgänge (z.B. Wachstum)

- überführt durch Destroenten das durch abgestorbene Biomasse freigesetzte Ammoniak wieder in Nitrat, so entsteht für Pflanzen stickstoffhaltiger Mineralnährstoff

- 2 Gruppen der Nitrifizierer: 1. Nitroso-... für die am ersten Prozess beteiligten Organismen 2. Nitro-... für die am zweiten Teilprozess beteiligten Organismen

NH₃ -> (NO₂)^- -> (NO₃)^- 

Pflanzen können Ammonium (NH₄⁺) assimilieren, bevorzugen aber größtenteils 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, z.B. Proteinen und Nukleinsäuren, verwendet.

Ammonifikation:

= Der Stickstoff wird aus stickstoffhaltigen, organischen Stoffen durch mikrobielle Prozesse in Form von Ammoniak (NH₃) freigesetzt

- Durch Primärproduzenten sowie Primär- und Sekundärkonsumenten wird ständig organisches Material (Exkremente) freigesetzt

- Diese enthält u. a. Stickstoff, dieser wird durch Destruenten als Ammoniak freigesetzt --> neue anorganische, von autotrophen Organismen (Pflanzen u. a.) verwertbarer Mineralstoffe

Nitratreduktion zu Nitrit

- Unter anoxischen Bedingungen können bestimmte Bakterien Nitrat als Oxidationsmittel statt Sauerstoff (O₂) für die Oxidation von organischen Stoffen oder elementarem Wasserstoff (H₂) als Energie-liefernde Reaktion nutzen

- Nitrat wird dabei zu Nitrit (NO₂⁻) reduziert

Denitrifikation:

= Umwandlung des im Nitrat (NO₃⁻) gebundenen Stickstoffs zu molekularem Stickstoff (N₂) und Stickoxiden, durch bestimmte heterotrophe und einige autotrophe Bakterien (Dentrifikanten)

- Der Vorgang dient den Bakterien zur Energiegewinnung

- bei Abwesenheit von molekularem Sauerstoff (O₂) werden verschiedene oxidierbare Stoffe (Elektronendonatoren), wie organische Stoffe, Schwefelwasserstoff (H₂S) und molekularer Wasserstoff (H₂), mit Nitrat als Oxidationsmittel oxidiert

- Der Vorgang ist eine Möglichkeit des Energiestoffwechsels (oxidativer Energiestoffwechsel)

- Nitrat und Nitrit werden über Zwischenstufen zu N₂ reduziert

- Aus Nitrat wird also durch diesen bakteriellen Prozess N₂ gebildet, der zum großen Teil in die Atmosphäre entweicht