Stickstoffkreislauf – Dünger und Verwertung

Was ist der Stickstoffkreislauf? – Chemie

In der Natur findet man das Element Stickstoff ($\ce{N}$) in der Luft, im Wasser und im Boden. In der Erdatmosphäre kommt Stickstoff in molekularer Form ($\ce{N2}$) vor, im Boden häufig in Form von Nitrat ($\ce{NO3-}$). Stickstoff ist wesentlicher Bestandteil in vielen biochemischen Verbindungen, die für uns von essenzieller Bedeutung sind. Beispiele sind die Aminosäuren, aus denen die Proteine aufgebaut sind, und die Nukleinsäuren wie die DNA.
Der Stickstoffkreislauf beschreibt dabei die stetige Wanderung und Umsetzung des Stickstoffs in der Erdatmosphäre, in Gewässern, in Böden und in Biomasse. In diesem Text erklären wir dir, wie der Stickstoffkreislauf funktioniert, und du erfährst, was passiert, wenn durch menschliche Eingriffe – wie etwa der Einsatz von Kunstdünger im Ackerbau – der Kreislauf gestört wird.

Wie funktioniert der Stickstoffkreislauf? – Erklärung

Der natürliche Stickstoffkreislauf wird in vier Schritte unterteilt:

• Fixierung von Stickstoff
• Nitrifikation
• Ammonifikation
• Denitrifikation

Fixierung von Stickstoff im Stickstoffkreislauf

Molekularer Stickstoff aus der Luft kann nicht von Pflanzen verwertet werden. Er muss also zunächst so umgewandelt werden, das er für sie verfügbar wird. Im Boden kommen dazu den Stickstoff fixierende Bodenbakterien zum Einsatz. Häufig sind dies sogenannte Knöllchenbakterien, die in Symbiose mit bestimmten Pflanzen wie den Leguminosen leben. Unter Symbiose versteht man, dass beide Lebewesen gegenseitig voneinander profitieren. Die Bakterien liefern den Pflanzen den notwendigen Stickstoff und im Gegenzug erhalten sie wichtige Nährstoffe von der Pflanze.

Zusätzlich kann diese Umwandlung auch durch Sonneneinstrahlung oder Blitzschlag in der Atmosphäre stattfinden. Ein kleiner Teil der Ammoniumionen wird von den Pflanzen direkt verwertet. Der größte Teil wird allerdings von weiteren Bodenbakterien zu Nitrat ($\ce{NO3-}$) abgebaut. Dieser Abbauprozess wird dir im folgenden Abschnitt genauer erklärt.

Nitrifikation im Stickstoffkreislauf

Die Umwandlung des größten Teils der Ammoniumionen ($\ce{NH4+}$) wird von nitrifizierenden Bakterien übernommen, die unter Verwendung von Sauerstoff ($\ce{O2}$) zunächst Nitrit ($\ce{NO2-}$) und dann Nitrat ($\ce{NO3-}$) herstellen. Stickstoff wird in diesem Prozess also oxidiert. In dieser Form, als Nitrat ($\ce{NO3-}$), nehmen Pflanzen den Stickstoff bevorzugt auf, um daraus beispielsweise Proteine herzustellen.

$\ce{2NH4+ (aq) + 3 O2 (aq) -> 2 NO2- + 2 H+ (aq) + 2 H2O}$

und

$\ce{2 NO2- (aq) + O2 -> 2 NO3- (aq)}$

Die Nitrifikation findet bevorzugt in sauerstoffreichen Böden oder Gewässern statt. Mensch und Tier nehmen dann über die pflanzliche Nahrung den Stickstoff in Form von essenziellen Aminosäuren und Proteinen auf.

Ammonifikation im Stickstoffkreislauf

Bei der Ammonifikation wird der organisch gebundene Stickstoff sowohl aus der pflanzlichen Biomasse als auch aus den tierischen Ausscheidungen durch Fäulnisbakterien in Ammoniumionen ($\ce{NH4+}$) umgewandelt und so dem Boden wieder zugeführt. Bei diesem Prozess handelt es sich also um eine Reduktion von Stickstoff.

Denitrifikation im Stickstoffkreislauf

Nitrat ($\ce{NO3-}$) wird nicht nur von den Pflanzen verwendet, sondern kann auch durch denitrifizierende Bakterien wieder zu molekularem Stickstoff ($\ce{N2}$) umgewandelt werden, sodass sich der Kreislauf hier schließt.

Menschlicher Eingriff durch Dünger – Haber-Bosch-Verfahren

Fritz Haber und Karl Bosch haben zu Beginn des 20. Jahrhunderts ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff entwickelt. Daraus wurde Kunstdünger hergestellt, der unmittelbar von den Pflanzen verwertet werden kann. Wird zu viel künstlich gedüngt, besteht zusätzlich zur Entstehung von Treibhausgas die Gefahr, dass überschüssiges Nitrat zur Verunreinigung des Grundwassers beiträgt.

Stickstoffkreislauf – Zusammenfassung

Der Stickstoffkreislauf unterteilt sich in vier Schritte: Stickstofffixierung, Nitrifikation, Ammonifikation und Denitrifikation. Molekularer Stickstoff ($\ce{N2}$) wird zunächst in Ammoniumionen ($\ce{NH4+}$) und dann in Nitrat ($\ce{NO3-}$) umgewandelt. Das Nitrat ($\ce{NO3-}$) wird von den Pflanzen aufgenommen und über die pflanzliche Nahrung nehmen auch Menschen und Tiere die wertvollen Stickstoffverbindungen wie Aminosäuren und Proteine auf. Über die Exkremente wird der Stickstoff in gebundener Form wieder ausgeschieden. Fäulnisbakterien wandeln ihn in Ammoniumionen ($\ce{NH4+}$) um. Das daraus entstandene Nitrat ($\ce{NO3-}$) kann wieder zu molekularem Stickstoff umgewandelt werden.

In der folgenden Tabelle siehst du nochmals die wichtigsten Reaktionsgleichungen, die im Stickstoffkreislauf eine Rolle spielen.

Auch zum Thema Stickstoffkreislauf haben wir einige interaktive Übungen und Arbeitsblätter vorbereitet. Du kannst dein neu gewonnenes Wissen also direkt testen. Viel Spaß!

Häufig gestellte Fragen zum Thema Stickstoffkreislauf – Dünger und Verwertung