Stickstoffkreislauf

Stickstoffkreislauf einfach erklärt 

Der Stickstoffkreislauf beschreibt die biochemische Umwandlung von Stickstoff (N) in der Natur. Stickstoff stellt mit 78 % nämlich den größten Teil unserer Atmosphäre dar.

Er liegt dort in seiner elementaren Form vor. Pflanzen und Tiere können ihn so allerdings nicht nutzen. Deshalb wird er innerhalb des Stickstoffkreislaufs in entsprechende Formen wie Ammonium-Ionen (NH₄⁺) oder Nitrat (NO₃^–) umgewandelt.

Du unterteilst diesen Kreislauf je nach Ablauf der Umwandlung weiter in einen inneren und einen äußeren Stickstoffkreislauf. Dabei gibt es vier zentrale Schritte:

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Diese Stickstoff-Umwandlung ist vor allem für Pflanzen essenziell. Sie erhalten so nämlich stickstoffhaltige Proteine, die sie zum Beispiel für ihr Wachstum benötigen.

1. Stickstofffixierung

Der erste Schritt des Kreislaufs ist die Stickstofffixierung. Hier wird der in der Luft enthaltene Stickstoff in anderen Verbindungen fixiert. Dafür muss die Stickstoffbindung des elementaren Stickstoffs zuerst gespalten werden.

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Du unterscheidest zwischen zwei Arten der Stickstofffixierung:

• Biotische Stickstofffixierung
  Hier erledigen Stickstoff-fixierende Bakterien die Spaltung der Stickstoffbindung. Ein Beispiel dafür sind die sogenannten Knöllchenbakterien. Sie gehen mit den Pflanzenwurzeln eine Symbiose (Zusammenleben) ein. Das heißt, die Knöllchenbakterien liefern den Pflanzen Stickstoff und bekommen im Gegenzug dafür wichtige Nährstoffe. Die Stickstoffaufnahme der Pflanzen erfolgt dabei indirekt, weil sie den Stickstoff in Form von Ammonium-Ionen (NH₄⁺) oder Ammoniak (NH₃) erhalten.
   
• Abiotische Stickstofffixierung
  Durch Sonneneinstrahlung oder einen Blitzschlag kann der elementare Stickstoff in der Luft zu Stickstoffoxiden reagieren. Daraus wird in Kombination mit Feuchtigkeit Salpetersäure, die als saurer Regen auf den Boden trifft. Dort entstehen dann Ammonium-Ionen (NH₄⁺), Ammoniak (NH₃) oder Nitrat (NO3^–).

2. Nitrifikation

Pflanzen nehmen bevorzugt Nitrat auf. Deshalb müssen die entstandenen Ammonium-Ionen und das Ammoniak im nächsten Schritt bei der sogenannten Nitrifikation umgewandelt werden. Das passiert durch bestimmte Bakterien, die Nitrifizierer. Sie kommen vor allem in Gewässern und Böden mit viel Sauerstoff vor. Du sprichst hier auch von aeroben Bedingungen.

Die Nitrifizierer wandeln jetzt die Ammonium-Ionen (NH₄⁺) über Nitrit (NO₂^–) in Nitrat (NO₃^–) um:

NH₄⁺ NO₂^–  NO₃^–

Auch Ammoniak (NH₃) kann mithilfe von Sauerstoff (O₂) in Nitrat (NO₃^–) umgewandelt werden:

NH₃ + 2 O₂ NO₃^– + H⁺ + H₂O

Das Nitrat können die Pflanzen jetzt problemlos aufnehmen und für die Herstellung von Proteinen oder anderen Verbindungen nutzen.

Nach der Nitrifikation kann der Stickstoffkreislauf jetzt auf zwei Arten weiter gehen. Es gibt einen „inneren“ und einen „äußeren“ Kreislauf. Der innere schließt sich schneller wieder und beinhaltet als nächsten Schritt die Ammonifikation.

3. Ammonifikation

Ernähren sich Tiere von Pflanzen, nehmen sie so alle wichtigen stickstoffhaltigen Proteine und andere stickstoffhaltige Verbindungen auf. Diese werden dann verdaut und wieder ausgeschieden.

Sogenannte Fäulnisbakterien und Pilze sind anschließend dafür verantwortlich, dass die ausgeschiedenen stickstoffhaltigen Verbindungen weiter zersetzt werden. Das passiert zum Beispiel auch bei toten Pflanzen und abgefallenen Blättern. 

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Dabei entsteht dann erst Ammoniak (NH₃), was zu Ammonium-Ionen (NH₄⁺) weiter reagieren kann. Deshalb nennst du den Schritt auch Ammonifikation.

4. Denitrifikation

Beim „äußeren“ Kreislauf ist nach der Nitrifikation die Denitrifikation der letzte Schritt. Sie tritt an Stellen im Boden auf, die nicht viel Sauerstoff besitzen. Unter diesen anaeroben Bedingungen nutzen sogenannte denitrifizierende Bakterien das im Boden entstandene Nitrat.

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Sie wandeln dieses Nitrat über Nitrit entweder zu Lachgas (N₂O) und Stickstoffmonoxid (NO) oder sogar noch weiter zu elementarem Stickstoff (N₂) um. Da hier Nitrat reduziert wird, nennst du den Schritt auch Nitratreduktion.

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Das entstandene Lachgas bzw. der elementare Stickstoff wird dann an die Luft abgegeben. Er kann anschließend zum Beispiel wieder von Bakterien fixiert werden und der Stickstoffkreislauf beginnt von vorne.

Stickstoffkreislauf See 

Tote Tiere oder Pflanzen können auch in Gewässer wie Seen oder Meere gelangen. Der Stickstoff der toten Biomasse wird dann in der tropholytischen Schicht (lichtarmer / lichtloser Tiefenbereich eines stehenden Gewässers) in Ammoniak (NH₃) umgewandelt.

Wie bei der Nitrifikation im Boden können auch hier Bakterien unter aeroben Bedingungen den Ammoniak in Nitrat (NO₃^–) umwandeln.

Die Reaktionsgleichung für die Nitrifikation unterscheidet sich aber etwas von der im Boden. Denn: Im Wasser zersetzt sich Ammoniak zu Ammonium-Ionen (NH₄⁺), während zusätzlich Hydroxid-Ionen (OH^–) entstehen:

NH₃ + H₂O NH₄⁺ + OH^–

Anschließend läuft die Nitrifikation aber weiter wie im Boden ab:

NH₄⁺ NO₂^–  NO₃^–

Nitrat Dünger

In der Landwirtschaft wird Nitrat häufig als Dünger verwendet. Dafür wird zuerst aus Stickstoff Ammoniak hergestellt. Das passiert im sogenannten Haber-Bosch-Verfahren .

Menschen greifen damit stark in den natürlichen Stickstoffkreislauf ein. Die Pflanzen nehmen nämlich zwar das meiste Nitrat auf, aber durch das Düngen entsteht auch Lachgas. Das ist ein Treibhausgas, welches sehr schädlich für die Umwelt und das Klima sein kann.

Ein weiteres Problem ist, dass Nitrat nicht an Bodenbestandteile gebunden werden kann. Dadurch kann es in die Gewässer und somit auch in das Grundwasser gelangen. Ein zu hoher Nitratgehalt im Trinkwasser kann allerdings gefährlich werden. Denn Nitrat kann in unserem Körper mit Aminen zu krebserregenden Stoffen reagieren.

Stickstoffkreislauf — häufigste Fragen

• Was ist der Stickstoffkreislauf?
  Der Stickstoffkreislauf zeigt die biochemische Umwandlung von Stickstoff in der Atmosphäre und Biosphäre. Er setzt sich aus der Stickstofffixierung, der Nitrifikation, der Ammonifikation und der Denitrifikation zusammen.
    
• Wie funktioniert der Stickstoffkreislauf einfach erklärt?
  Der Stickstoffkreislauf setzt sich aus vier Schritten zusammen. Der erste ist die Stickstofffixierung durch Bakterien. Dann folgt die Nitrifikation, die Ammonifikation und abschließend die Denitrifizierung.

Kohlenstoffkreislauf

Menschen greifen jedoch nicht nur in den Stickstoffkreislauf, sondern auch in den sogenannten Kohlenstoffkreislauf der Erde ein. Wie genau das passiert und wie der Kreislauf aufgebaut ist, erfährst du in diesem Video dazu!