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 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.

• 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.

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.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Stickstoffkreislauf