Stickstoffkreislauf
Tauche ein in den Stickstoffkreislauf! Lerne, wie Stickstoff aus der Luft in organische und anorganische Verbindungen umgewandelt und anschließend ins Ökosystem transportiert wird. Erkunde die einzelnen Phasen - von der Fixierung über die Nitrifikation und die Ammonifikation bis hin zur Denitrifizierung. Neugierig geworden? Erfahre mehr über diesen Kreislauf in verschiedenen Ökosystemen wie Wäldern und Seen. Mach dich schlau und lies weiter!
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Grundlagen zum Thema Stickstoffkreislauf
Der Stickstoffkreislauf einfach erklärt
In der Ökologie, ein Teilgebiet der Biologie, finden wir viele Stoffkreisläufe. Oft greifen sie ineinander wie die Zahnräder eines Uhrwerks. Heute wollen wir uns mit einem ganz bestimmten Stoffkreislauf beschäftigen – dem Stickstoffkreislauf.
Was ist der Stickstoffkreislauf? – Definition
Stickstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol $\ce{N}$. In der Natur finden wir es in Form des gasförmigen Stickstoffmoleküls $\ce{N2}$ – unsere Atemluft besteht zu 78 % aus Stickstoff – und in zahlreichen chemischen Verbindungen. So ist Stickstoff ein essenzieller Bestandteil von Aminosäuren, den Grundbausteinen der Proteine und der DNA. Die Weitergabe und Wiederverwendung von Stickstoff kann in einem Stickstoffkreislauf dargestellt werden.
In der Biologie definiert man den Stickstoffkreislauf wie folgt:
Der Kreislauf des Stickstoffs umfasst dessen Umwandlung vom gasförmigen Stickstoff (in der Luft) in anorganische und organische Stickstoffverbindungen sowie die Rückführung in die Umwelt über mehrere Schritte. Einfach erklärt hat der Stickstoffkreislauf die Funktion, Stickstoff innerhalb eines Ökosystems zu transportieren.
Der Stickstoffkreislauf – die einzelnen Schritte
Der Stickstoffkreislauf ist also ein natürliches Recyclingverfahren, das Stickstoff aufnimmt und in lebenswichtige Verbindungen umwandelt. Wie das genau abläuft, erfährst du im Folgenden am Beispiel Ökosystem Wald:
Fixierung von Stickstoff: Der Kreislauf beginnt damit, dass molekularer Stickstoff $(\ce{N2})$ aus der Atmosphäre gebunden wird. Dabei wandeln hauptsächlich Stickstoff fixierende Bakterien (Knöllchenbakterien) im Boden molekularen Stickstoff $(\ce{N2})$ in Ammoniak $(\ce{NH3})$ um. Knöllchenbakterien leben beispielsweise in einer Symbiose mit dem Wurzelgeflecht von Pflanzen.
Nitrifikation: Pflanzen können Ammoniak nur aufnehmen, wenn sie in Symbiose mit Stickstoff fixierenden Bakterien leben. Nitrate $(\ce{NO3-})$ und Nitrite ($\ce{NO2-}$) können sie jedoch ungehindert über die Wurzeln aufnehmen. Die zweistufige Umwandlung von Ammoniak über Nitrit zu Nitrat bezeichnet man als Nitrifikation. Die Reaktionen werden von nitrifizierenden Bakterien im Boden durchgeführt. Nach der Aufnahme der Nitrate aus dem Boden können Pflanzen Proteine herstellen. Im Verlauf der Nahrungskette (Nahrungsnetz) wird über Proteine lebensnotwendiger Stickstoff weitergegeben. Pflanzenfresser nehmen die Proteine aus Pflanzen auf, Fleischfresser beziehen ihre Proteine aus dem Fleisch anderer Tiere. Hier ein Beispiel: Pflanzen sind die Hauptnahrungsquelle von Hasen. Diese wiederum sind Beutetiere, unter anderem für Füchse oder Greifvögel. Während Pflanzen in einem Ökosystem als Produzenten definiert sind, weil sie mittels Fotosynthese anorganische Substanzen (Wasser, Kohlenstoffdioxid) in organische (Glucose) umwandeln, bezeichnet man die nachfolgenden Glieder der Nahrungskette als Konsumenten. Sie fressen bzw. konsumieren organisches Material (Pflanzen, Tiere).
Ammonifikation: Der Stickstoff, der nun von den Lebewesen als Nahrung aufgenommen wurde, wird in Form von Urin, Kot sowie toten Tieren und Pflanzen dem Boden zurückgeführt. Dazu zerkleinern Detrivoren wie Würmer und Asseln tote und verwesende Materie. Im Anschluss wandeln Zersetzer (Destruenten), wie Pilze und Bakterien, den Stickstoff aus organischen Verbindungen in Ammoniak um. Ammoniak kann dann wieder von nitrifizierenden Bakterien in Nitrat umgewandelt werden.
Kennst du das?
Hast du auch schon einmal bemerkt, dass ein Komposthaufen im Garten mit der Zeit schrumpft und sich in dunklen, nährstoffreichen Boden verwandelt? Dabei helfen Mikroorganismen, indem sie organisches Material zersetzen und Stickstoff freisetzen. Diesen können dann Pflanzen wieder aufnehmen. Ein Komposthaufen ist ein kleines Beispiel dafür, wie der Stickstoffkreislauf in der Natur funktioniert.
- Denitrifizierung: Dies ist der letzte Schritt im Stickstoffkreislauf. Hierbei wandeln denitrifizierende Bakterien unter Ausschluss von Sauerstoff, man spricht auch von anaeroben Bedingungen, Nitrate in molekularen Stickstoff um. Dieser wird wieder der Luft zugeführt und der Kreislauf schließt sich.
Wie wir gerade gelernt haben, arbeiten Produzenten, Konsumenten und Destruenten in einem Ökosystem immer zusammen. So erfüllen sie auch im Stickstoffkreislauf spezifische Aufgaben. Wie diese im Ökosystem eines Sees aussehen können und wer sich dort hinter den Produzenten, Konsumenten und Destruenten verbirgt, wollen wir uns nun anschauen.
Wusstest du schon?
Gewitter ist nicht nur beeindruckend anzusehen, es hat auch eine wichtige Funktion im Stickstoffkreislauf! Blitze sorgen für so viel Energie, dass sie den Stickstoff in der Luft in Verbindungen umwandeln können, die Pflanzen leicht aufnehmen können. Jedes Mal, wenn es donnert, hilft die Natur dabei, den Boden fruchtbar zu machen.
Der Stickstoffkreislauf eines Sees
In einem See gehören Wasserpflanzen, Plankton und Algen zu den Produzenten. Sie sind zur Fotosynthese fähig und bauen so Biomasse auf. Molekularer Stickstoff kann sich zum Teil über Diffusion im Wasser lösen. Aber auch in Seen können Produzenten den Stickstoff nur in Form von Ammonium (Ammoniak protoniert im Wasser zu Ammonium) oder Nitrit bzw. Nitrat aufnehmen. Hier kommen die Cyanobakterien, früher als Blaualgen bezeichnet, ins Spiel. Sie führen die Reaktion der Stickstofffixierung durch und produzieren Ammonium. Auch in Seen gibt es bestimmte Bakterien, die Ammonium zu Nitrit bzw. Nitrat umwandeln und so für die Pflanzen verfügbar machen. Typische Konsumenten in Seen sind natürlich Fische und Wasservögel, aber auch andere Kleintiere wie Krebse. Sterben Pflanzen und Tiere ab, werden sie von Destruenten wie Bakterien und Würmern zersetzt. Am Ende wird dem Stoffkreislauf Ammonium zurückgeführt. Die Ammonifikation verbraucht Sauerstoff – hier lauert die Gefahr für das Ökosystem See!
Der Stickstoffkreislauf – Störungen
Gibt es in einem See zu viele Fische, Pflanzen oder Algen, so resultiert das in einer Anhäufung von Biomasse. In der Folge wird vermehrt tote Biomasse von Destruenten zersetzt. Wie wir gerade gelernt haben, geht die Zersetzung durch Ammonifikation mit einem Verbrauch von Sauerstoff einher. Bei einer hohen Ammonifikation wird also viel Sauerstoff verbraucht. Hast du an einem See schon einmal beobachtet, wie Fische an der Wasseroberfläche nach Luft schnappen? Das ist ein deutliches Zeichen für Sauerstoffarmut in dem Gewässer.
Aber es passiert noch etwas anderes: Je mehr Ammonium freigesetzt wird, desto mehr steigt der pH-Wert. Ab einem pH-Wert von 8,5 wird es für Fische lebensbedrohlich.
Die Anreicherung von Nährstoffen wie Phosphor und Stickstoff in einem Gewässer nennt man Eutrophierung.
Ausblick – das lernst du nach Stickstoffkreislauf
Erfahre mehr über das Zusammenspiel der Organismen in der Natur durch die Nahrungsketten und Nahrungsnetze und erlerne den Sauerstoffkreislauf. Diese Themen geben dir einen tieferen Einblick in die Abhängigkeiten und Wechselwirkungen im Ökosystem.
Zusammenfassung zum Thema Stickstoffkreislauf
- Der Stickstoffkreislauf ist ein natürlicher Kreislauf, bei dem Stickstoff zwischen Atmosphäre, Boden und Lebewesen umgewandelt und weitergegeben wird.
- Unter Fixierung versteht man stickstofffixierende Bakterien (z.B. Knöllchenbakterien), welche atmosphärischen Stickstoff (N₂) binden und in Ammoniak (NH₃) umwandeln.
- Die Nitrifikation beschreibt die Umwandlung von Ammoniak zu Nitrit (NO₂⁻) und dann zu Nitrat (NO₃⁻) durch nitrifizierende Bakterien, sodass dies von Pflanzen aufgenommen werden kann.
- Unter Ammonifikation versteht man die Zersetzung von organischen Stoffen (Urin, Kot, tote Organismen) durch Destruenten (z.B. Bakterien, Pilze) unter der Freisetzung von Ammoniak.
- Denitrifizierende Bakterien wandeln Nitrat unter anaeroben Bedingungen wieder in molekularen Stickstoff (N₂) um, der in die Atmosphäre zurückkehrt. Das wird Denitrifizierung genannt.
- Produzenten (z.B. Algen) nehmen Stickstoffverbindungen auf, Konsumenten (z.B. Fische) geben Stickstoff durch Tod und Ausscheidungen zurück, Destruenten zersetzen organisches Material.
- Störungen: Überproduktion von Biomasse führt zu Sauerstoffmangel (durch hohe Ammonifikation) und erhöhtem pH-Wert, was zur Eutrophierung von Gewässern führt.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Stickstoffkreislauf
Transkript Stickstoffkreislauf
Hallo, ich bin Julia und möchte euch heute den Stickstoffkreislauf erklären. Du solltest bereits wissen, was eine Oxidation und eine Reduktion ist. Und es ist gut, wenn du mit dem Begriff Symbiose etwas anfangen kannst.
Stickstoff ist für alle Lebewesen essenziell. Er ist Bestandteil von Aminosäuren, Nukleinsäuren, Enzymen und Hormonen. Die Atmosphäre besteht zu 78% aus Stickstoff. Dieser Stickstoff ist jedoch nur für die wenigsten Lebewesen direkt zugänglich, da je 2 Stickstoffatome durch eine sehr energiereiche Dreifachbindung gebunden sind. Nur Prokaryonten wie z.B. Cyanobacterium oder Rhizobium können Luftstickstoff zu Ammoniak reduzieren. Dazu nutzen sie das Enzym Nitrogenase. Dabei reagieren ein Mol N2 mit 2 Elektronen und 6 Protonen zu 2 Mol Ammoniak. Dadurch erniedrigt sich die Oxidationszahl des Stickstoffs von 0 auf -3. Für die Reduktion von einem Gramm Luftstickstoff ist etwa die Energie von 2 Gramm Zucker notwendig, ungefähr 33 Kilojoule.
Auch durch Düngemittel und Abwässer gelangen Stickstoffverbindungen ins Ökosystem, die für Pflanzen und Tiere nutzbar sind. Bei Gewittern entstehen ebenfalls stickstoffhaltige Verbindungen, wenn durch Blitze N2 und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden verschmelzen.
Zurück zu den Bakterien. Ist der Luftstickstoff in Form von Ammoniak fixiert worden, wird er durch Nitritbakterien zu Nitrit oxidiert. Dabei werden 2 Mol Ammoniak und 4 Mol Sauerstoff in 2 Mol Nitrit, 2 Protonen und 2 Mol Wasser umgewandelt. Nitritbakterien sind z. B. Nitrosomonas oder Nitrosococos. Sie leben in Böden und Gewässern. Anschließend wird Nitrit von Nitratbakterien wie z. B. Nitrobacter in Nitrat umgewandelt. So entstehen aus 2 Mol Nitrit und 1 Mol Sauerstoff 2 Mol Nitrat. Den Prozess der Umwandlung von Ammoniak in Nitrat bezeichnet man als Nitrifikation. Nitrat ist die Hauptstickstoffquelle für Pflanzen, mit Ausnahme der Leguminosen. Leguminosen leben mit Knöllchenbakterien, Bakterien der Gattung Rhizobium, in Symbiose.
Die Rhizobium-Leguminosen-Symbiose. Pflanzen der Familie der Leguminosen locken die Rhizobien an und umschließen sie mit ihren Wurzelhaaren. Die Bakterien dringen in die Wurzeln ein, bleiben aber stets von einer Membran umschlossen. Die Wurzelzellen teilen sich besonders häufig, wenn sie die Präsenz der Bakterien spüren. So entstehen die charakteristischen Knöllchen. Rhizobien beginnen nun dank ihrer Nitrogenase Stickstoff zu fixieren. Es entsteht Ammoniak, der teilweise an die Pflanzen weitergeleitet wird. Dafür erhalten die Bakterien von der Pflanze Zucker. Über die Pflanzen gelangen die Stickstoffe in herbivore Tiere, sogenannte Konsumenten 1. Ordnung. Diese werden von Konsumenten 2. Ordnung gefressen. Über Exkremente und Kadaver gelangen die Stickstoffverbindungen zurück in den Boden. Dort werden sie von Destruenten, wie Pilzen und Bakterien, hydrolisiert. Es entsteht erneut Stickstoff. Einige Bakterien gewinnen Energie aus Nitrit und Nitrat, das sie im Boden vorfinden. Dabei entsteht N2, das wieder an die Atmosphäre abgegeben wird. Dies bezeichnet man als Denitrifikation. Der Stickstoffkreislauf ist geschlossen.
Zusammenfassung: Stickstoff liegt in der Atmosphäre gasförmig vor und kann in dieser Form nur von Bakterien wie Rhizobium genutzt werden. Es entsteht Ammoniak, Ammoniak wird zuerst in Nitrit und dann in Nitrat umgewandelt. Das ist Nitrifikation. Nitrat und Ammoniak werden von den Pflanzen aufgenommen und in Aminosäuren, Nukleinsäuren und vieles mehr umgewandelt. Pflanzen dienen als Stickstoffquelle für Konsumenten 1. Ordnung. Diese werden wiederum von Konsumenten 2. Ordnung gefressen. Durch Exkremente und abgestorbene Tier- und Pflanzenreste gelangt der Stickstoff zurück in den Boden. Dort wird er von Bakterien in Ammoniak umgewandelt und teilweise als N2 wieder an die Atmosphäre abgegeben.
Ich hoffe, ihr habt alles gut verstanden und hattet Spaß diesen Film zu schauen. Tschüss.
Stickstoffkreislauf Übung
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Benenne wichtige Fakten rund um den Stickstoff.
TippsLuft, die wir einatmen, besteht zu 21% aus Sauerstoff.
LösungStickstoff ist ein wichtiges Strukturelement vieler organischer Stoffe wie Nukleinsäuren, Enzyme, Aminosäuren und Hormone.
Die Luft, die wir einatmen, besteht zu 78% aus Stickstoff und 21% Sauerstoff. Der Rest besteht aus Edelgasen. Dieser Luftstickstoff ist den Lebewesen allerdings nicht frei zugänglich. Nur einige Prokaryoten können diesen zu Ammoniak umwandeln. Das Enzym Nitrogenase hilft ihnen dabei.
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Beschreibe den Stickstoffkreislauf.
TippsBei Gewitter entstehen stickstoffhaltige Verbindungen.
LösungIst der Luftstickstoff in Form von Ammoniak fixiert worden, wird er in Nitrit oxidiert. Dies geschieht durch die Nitritbakterien. Anschließend wird das Nitrit durch Nitratbakterien in Nitrat umgewandelt.
Diesen Prozess bezeichnet man als Nitrifikation.
Nitrat ist Hauptstickstoffquelle für Pflanzen.
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Erstelle eine passende Saatmischung.
TippsDie Kleearten gehören zu den Leguminosen.
Die Luzerne wird auch ewiger Klee genannt.
LösungEin Vorteil der Knöllchenbildung an der Leguminosenwurzel ist, dass der Boden mit Stickstoff angereichert wird. Dies spart Dünger und auch die nachfolgenden Kulturen wachsen besser. Das ist der Grund dafür, warum viele Landwirte Leguminosen innerhalb ihrer Fruchtfolge anbauen.
Zu den Leguminosen zählen die Hülsenfrüchtler. Der Landwirt aus unserem Beispiel sollte also verschiedene Kleearten und Luzernen anbauen. Diese Pflanzen sind in der Lage, mithilfe der Bakterien Stickstoff zu fixieren.
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Erkläre verschiedene Begriffe aus der Biologie.
TippsBeim Parasitismus profitiert nur eine Art.
LösungEs gibt sehr viele unterschiedliche chemische Reaktionen.
Darunter auch die Oxidation (Elektronenabgabe) und Reduktion (Elektronenaufnahme). Die Redox-Reaktion besteht aus beiden Teilreaktionen.
Genauso vielseitig zeigt sich die Biologie, wenn es um Beziehungen geht.
Bei der Symbiose, wie die Rhizobium-Leguminosen-Symbiose, profitieren beide Seiten voneinander. Anders sieht das beim Parasitismus aus, hier profitiert nur eine Seite von der Beziehung. Ein Beispiel aus dem Pflanzenreich ist die Mistel. Diese dringt mit ihren Wurzeln in die Leitbahnen ihrer Wirtspflanze ein und entzieht ihr so Nährstoffe.
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Beschreibe die Rhizobium-Leguminosen-Symbiose.
TippsDurch Wurzelausscheidungen werden die Bodenbakterien angelockt.
LösungViele Bakterien besiedeln als Symbionten ungewöhnliche Lebensräume und bilden mit anderen Arten eine Symbiose. Hierbei haben alle Beteiligten einen Vorteil von dieser Beziehung. So auch bei der Rhizobien-Leguminosen-Symbiose.
Diese findest du an den Wurzeln von Leguminosen. Die Leguminosen senden über Wurzeln Lockstoffe aus, die die Bakterien anlocken. Diese dringen über die Wurzeln ein, die Wurzelzellen beginnen sich zu teilen und es entstehen die typischen Knöllchen.
Die Bakterien versorgen die Pflanzen mit stickstoffhaltigen Verbindungen, dadurch können die Pflanzen auch auf stickstoffarmen Böden wachsen. Von der Pflanze erhalten die Bakterien organische Kohlenstoffverbindungen.
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Beschreibe eine weitere Symbiose an der Pflanzenwurzel.
TippsHyphen sind fadenförmige Zellen der Pilze.
LösungIn diesem Video hast du die Symbiose zwischen Bakterien und Pflanzen kennengelernt. Es gibt aber noch viele weitere Symbiosen auch an der Pflanzenwurzel.
So gehen bestimmte Bodenpilze, die Mykorrhiza, eine Symbiose mit Pflanzen ein. Dabei bilden sie feine Hyphen aus, mit denen sie in die Pflanzenwurzel eindringen können. Die Pilze können Nährsalze und Wasser effektiver aus dem Boden gewinnen und den Pflanzen zur Verfügung stellen. Die Pflanzen versorgen die Pilze mit Glucose. So haben beide ihren Vorteil aus dieser Beziehung.
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Ich finde das video gut
Ich finde das Video sehr Hilfreich
Geil.danke.
Stickstoff wird von Algen oder autotrophen Bakterien als AMONIUM oder Nitrat aufgenommen. Das fehlt hier in diesem video!
Hallo :)
Bitte stell deine Frage nochmal etwas genauer, dann helfe ich dir gerne weiter :)