Stickstoffkreislauf und seine Bedeutung

in den Stickstoffkreislauf

Der Stickstoffkreislauf ist einer der grundlegenden biogeochemischen Kreisläufe, welche essentiell sind, um das Ökosystem auf der Erde aufrechtzuerhalten. Durch diesen Kreislauf wird Stickstoff genutzt und recycelt. Dies ist von kritischer Bedeutung, da Stickstoff eines der wichtigsten Elemente für das Leben und das Wachstum aller Organismen ist.

Die Rolle des Stickstoffs

Stickstoff ist ein wesentlicher Baustein des Lebens. Er wird benötigt, um Aminosäuren zu bilden, welche die Grundlage für Proteine darstellen. Ebenfalls unerlässlich ist Stickstoff für die Bildung von Nukleotiden, welche wiederum die Bausteine der DNA und RNA, also unserer Erbsubstanz, sind. Auch bei der Bildung von Chlorophyll, das für die Photosynthese bei Pflanzen notwendig ist, spielt Stickstoff eine entscheidende Rolle.

Trotz der enormen Menge an Stickstoff in der Atmosphäre – sie besteht zu etwa 78% aus Stickstoffgas (N2) – kann das meiste Leben diesen Stickstoff nicht direkt nutzen. Das liegt daran, dass die Stickstoffatome in N2 mit einer dreifachen Bindung stark miteinander verbunden sind. Die Umwandlung oder "Fixierung" dieses atmosphärischen Stickstoffs in eine verwertbare Form erfordert daher einen beachtlichen Energieaufwand.

Stickstofffixierung

Die Stickstofffixierung ist der Prozess, bei dem atmosphärischer Stickstoff durch spezialisierte Mikroorganismen – die sogenannten Stickstofffixierer – in verwertbare Stickstoffverbindungen umgewandelt wird. Diese Mikroorganismen sind in der Regel Bakterien, die entweder frei in der Umwelt leben oder in einer Symbiose (einer Art Partnerschaft) mit Pflanzen.

Die Stickstofffixierung erfolgt durch die Umwandlung von N2 in Ammoniak (NH3), was extrem energieaufwändig ist. Dieser Prozess wird durch das Enzym Nitrogenase ermöglicht, das die Fähigkeit hat, die starke dreifache Bindung in N2 zu brechen. Sobald der Stickstoff in dieser Form verfügbar ist, können ihn Pflanzen in Aminosäuren umwandeln und damit Proteine bilden.

Der Stickstoffkreislauf im Detail

Der Stickstoffkreislauf besteht aus mehreren verwobenen Prozessen, die sich laufend in der Natur abspielen. Neben der bereits erwähnten Stickstofffixierung sind das die Nitrifikation, Denitrifikation und Ammonifikation.

Nitrifikation

Die Nitrifikation ist ein Prozess, der in zwei Schritten abläuft und durch den Ammoniak (NH3) in Nitrat (NO3-) umgewandelt wird. Diese Umwandlung wird ebenfalls durch Bakterien geleitet. Im ersten Schritt wird Ammoniak in Nitrit (NO2-) und im zweiten Schritt dann in Nitrat umgewandelt. Nitrat ist die bevorzugte Stickstoffquelle für viele Pflanzen.

Ammonifikation

Die Ammonifikation ist der Prozess, bei dem tote Biomasse durch Pilze und Bakterien in Ammoniak oder Ammonium umgewandelt wird. Dies geschieht meist im Boden und ist eine wichtige Quelle für pflanzenverfügbaren Stickstoff.

Denitrifikation

Die Denitrifikation ist das Gegenteil von Nitrifikation und Stickstofffixierung. Hierbei handelt es sich um den Prozess, bei dem Nitrat durch Mikroorganismen unter sauerstoffarmen Bedingungen wieder in atmosphärischen Stickstoff umgewandelt wird. Dieser Prozess kann in sauerstoffarmen Böden und Gewässern stattfinden und führt dazu, dass Stickstoff aus den Ökosystemen verloren geht und wieder in die Atmosphäre gelangt.

Menschlicher Einfluss auf den Stickstoffkreislauf

Der Mensch hat den natürlichen Stickstoffkreislauf durch zahlreiche Aktivitäten erheblich beeinflusst. Insbesondere die industrielle Gewinnung von Stickstoff zur Herstellung von Dünger und die Verbrennung fossiler Brennstoffe haben dazu geführt, dass ehemals gebundener Stickstoff nun als reaktiver Stickstoff in die Umwelt gelangt.

Überdüngung

Durch die Herstellung und den übermäßigen Einsatz von Dünger gelangt ein großer Teil dieses reaktiven Stickstoffs in die Umwelt. Dies kann zu Überdüngung und damit zur Eutrophierung der Gewässer führen. Dies bedeutet, dass zu viele Nährstoffe in die Gewässer gelangen, was das Wachstum bestimmter Pflanzen und Algen enorm beschleunigt. Wenn diese Pflanzen und Algen absterben, führt ihr Zerfall zu einem Sauerstoffmangel im Wasser – mit verheerenden Folgen für das marine Leben.

Schluss

Der Stickstoffkreislauf ist ein biologisch und chemisch komplexer Vorgang, der für das Leben auf der Erde von entscheidender Bedeutung ist. Ohne den Stickstoffkreislauf würden die essentiellen Stickstoffverbindungen, die alle Lebensformen benötigen, nicht verfügbar sein. Dennoch ist es wichtig, dass wir unsere Aktivitäten darauf abstimmen, um das natürliche Gleichgewicht dieses Kreislaufes nicht zu gefährden. Unser Verständnis für den Stickstoffkreislauf und seine Bedeutung sind daher entscheidend, um die Lebensvielfalt auf unserem Planeten zu erhalten.