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Stickstoffkreislauf

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Der Stickstoffkreislauf beschreibt wie Stickstoff in der Atmosphäre, Hydrosphäre, Pedosphäre und Biosphäre biochemisch umgewandelt wird. Er besteht aus den vier Teilprozessen Stickstofffixierung, Nitrifikation, Ammonifikation und Denitrifikation.

Erklärung

Stickstoff

Atmosphäre besteht zu ca. 78% aus Stickstoff
Pflanzen benötigen Stickstoff für wichtige Eiweißverbindungen (Enzymen, Proteine), Bestandteile ihres Erbgutes (Nukleinsäure)
Stickstoff ist also super wichtig für unser Leben

Stickstoff in der Atmosphäre

Elementarer Stickstoff (N2)
Kann nur unter hohem Energieaufwand aufgebrochen werden (reaktionsträge Dreifachbindung)
Kann von Pflanzen deshalb nicht direkt genutzt werden

Prozesskette des Stickstoffkreislaufs

1. Stickstofffixierung

= Aufspaltung von 2 Stickstoffatomen

Biotisch: durch Stickstoff-fixierende Bakterien im Boden/Wasser (z.B. Knöllchenbakterien)

Knöllchenbakterien leben auf Pflanzenwurzeln in Symbiose mit der Pflanze, liefern ihr Stickstoff und erhalten im Gegenzug Nährstoffe
Durch Stickstofffixierung entsteht Ammonium (NH4+) oder Ammoniak (NH3)
Kann von Pflanzen aufgenommen werden

\begin{aligned} \ \text{N}_2 + 6 \ \text{e}^{-} + 6 \ \text{H}^{+} \xrightarrow{} 2\ \text{NH}_3 \end{aligned}

\begin{aligned} \ \text{N}_2 + 6​ \ \text{e}^{-} + 6 \ \text{H}^{+} \xrightarrow{} 2\ \text{NH}_3 \end{aligned}

Abiotisch: durch Verbrennung (Vulkane), Blitzschlag, Sonneneinstrahlung in der Atmosphäre wird Stickstoff direkt zu Nitrit (No2-) und dann Nitrat (No3-) umgewandelt

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2. Nitrifikation

Vorraussetzung: aerobe Bedingungen (Sauerstoff in gelöster/ gasförmiger Form vorhanden) im Boden/ Wasser

Ammoniak (NH3) bzw. Ammonium (NH4+) wird zu Nitrit (NO2-) und anschließend zu Nitrat (NO3-) umgewandelt
Von Bakterien erledigt, deshalb auch bakterielle Oxidation
Pflanzen können Ammonium aufnehmen, bevorzugen aber Nitrat, da Ammoniak dafür sorgt, dass der Boden angesäuert wird

Schritt:: Oxidation von Ammoniak zu Nitrit

2 \ \text{NH}_3 + 3 \ \text{O}_2 \xrightarrow{} 2 \ \text{NO}_2^{-} + 2H^{+} + 2 \ \text{H}_2 O

2 \ \text{NH}_3 + 3 \ \text{O}_2 \xrightarrow{} 2 \ \text{NO}_2^{-} + 2H^{+} + 2 \ \text{H}_2 O

Schritt: Oxidation von Nitrit zu Nitrat

\text{2NO}_2 ^{-} + \text{O}_2 \xrightarrow{} \ \text{2NO}_3 ^{-}

\text{2NO}_2 ^{-} + \text{O}_2 \xrightarrow{} \ \text{2NO}_3 ^{-}

3. Ammonifikation

Auch Mineralisation/ Fäulnis genannt
Pflanzen werden von Tieren gegessen, verdaut und ausgeschieden oder Sterben ab
Destruenten (Fäulnisbakterien/ Pilze) zersetzen
Ammoniak (NH3) / Ammonium (NH4+) entsteht
Bsp. Harnstoff wird durch Enzym Urease der Harnstoffbakterien zu Ammoniak und kehrt zurück in Boden
Hier erster Schritt übersprungen (Stickstofffixierung nicht Rückgängig gemacht)

4. Denitrifikation

Einige Bakterien veratmen unter anaeroben Bedingungen (nicht genug Sauerstoff im Boden/Wasser vorhanden) Nitrate um Sauerstoff (O2) zu gewinnen
Freisetzung von elementarem Stickstoff (und Wasser) zurück in die Atmosphäre
Denitrifizierende Bakterien

2 \ \text{NO}_3 ^{-} + 12 \ \text{H}^{+} + 10e^{-} \xrightarrow{} \ \text{N}_2 + 6 \ \text{H}_2 O

2 \ \text{NO}_3 ^{-} + 12 \ \text{H}^{+} + 10e^{-} \xrightarrow{} \ \text{N}_2 + 6 \ \text{H}_2 O

Beispiel

Mensch greift durch Düngung landwirtschaftlicher Flächen und den Ausstoß von Stickoxiden durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen in den Stickstoffkreislauf ein

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