Stickstoffkreislauf

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}N2+6e+6H+2NH3\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

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
  1. Schritt:: Oxidation von Ammoniak zu Nitrit
2 \ \text{NH}_3 + 3 \ \text{O}_2 \xrightarrow{} 2 \ \text{NO}_2^{-} + 2H^{+} + 2 \ \text{H}_2 O2NH3+3O22NO2+2H++2H2O2 \ \text{NH}_3 + 3 \ \text{O}_2 \xrightarrow{} 2 \ \text{NO}_2^{-} + 2H^{+} + 2 \ \text{H}_2 O
  1. Schritt: Oxidation von Nitrit zu Nitrat
\ \text{NH}_3 + 2 \ \text{O}_2 \xrightarrow{} \ \text{NO}_3 ^{-} + H^{+} + \ \text{H}_2ONH3+2O2NO3+H++H2O\ \text{NH}_3 + 2 \ \text{O}_2 \xrightarrow{} \ \text{NO}_3 ^{-} + H^{+} + \ \text{H}_2O

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 O2NO3+12H++10eN2+6H2O2 \ \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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