Der Stickstoffkreislauf

Wenn du auf dieser Seite landest, tust du das vermutlich, weil du das Thema Stickstoffkreislauf gerade in der Schule hast oder es bis zum Abi sitzen muss. Lass dir jedoch eins gesagt sein: Schwachsinn ist das Thema nicht und - wenn man geneigt ist, die Bedeutung davon zu begreifen - auch nicht langweilig.

Zunächst einmal solltest du dir die aufgelisteten chemischen Verbindungen merken oder gegebenenfalls in dein Heft notieren:

Warum ist der Stickstoffkreislauf so wichtig?

Stickstoff ist in jedem lebenden Wesen enthalten, sei es Bakterie, Pflanze, Pilz oder Tier, denn es kommt sowohl in Proteinen, Aminosäuren und der DNA bzw. RNA als wichtiger Baustoff vor. Wie du dir vielleicht denken kannst, ist in deinem Körper beispielsweise so gut wie nichts statisch und "für immer". Das heißt, dass die Zellen in deinem Körper (und jede Zelle enthält DNA!) regelmäßig erneuert werden und dementsprechend neu mit Baustoffen wie Stickstoff versorgt werden müssen.

Es ist natürlich auch wichtig, dass, wenn jemand stirbt, der Stickstoff nicht einfach mit der Leiche verloren geht, sondern wieder verwertet werden kann, damit andere Lebewesen davon profitieren können.

Es ist wichtig, dass du dir merkst, dass nur wenige Lebewesen in der Lage sind, den elementaren Stickstoff, wie er zu circa 99% in der Luft vorkommt, "einfach so" aufzunehmen. Zu den wenigen Lebewesen, die das können, gehören beispielsweise Cyanobakterien und die Knöllchenbakterien (welche symbiotisch am Wurzelwerk von einigen Pflanzen leben).

Aufgaben:

• Woher, denkst du, kommt der Stickstoff, den der Mensch in seinem Körper verwendet?
• Worin liegt der "Sinn" des Stickstoffkreislaufs?

Wie läuft der Stickstoffkreislauf ab?

Aufgabe:

• Betrachte erst einmal das Bild und versuche die Abfolge der Pfeile zu verstehen!

1. Die Ammonifikation:
Der Stickstoffkreislauf beginnt gewissermaßen mit der Ammonifikation (wobei ein Kraislauf natürlich nirgendwo beginnt oder endet, für unser Verständnis jedoch ist es sinnvoll, an einer Stelle wie dieser zu beginnen.).

Bei der Ammonifikation wird der Stickstoff, der in allen erdenklichen Verbindungen in organischen Stoffen wie Exkrementen und anderer Biomasse (v.a. Tier- und Pflanzenleichen) enthalten ist, durch Destruenten wie Bakterien und Pilze freigesetzt. Die Destruenten zersetzen die organischen Teile und gewinnen damit Energie für sich.

Ammonifikation kann nicht nur durch Destruenten erfolgen, sondern ebenfalls durch andere chemische Prozesse wie die Hydrolyse von Urin.

Durch die Ammonifikation steht dem Ökosystem wieder wertvoller Stickstoff in Form von NH3 oder NH4+ zur Verfügung. Ammoniak oder Ammoniakionen können die meisten Pflanzen und andere autotrophe Lebewesen problemlos verwenden.

2.  Die Nitrifikation
Die Nitrifikation erfolgt durch einen zweistufigen Prozess durch 2 Gruppen von Bakterien, die Nitritbaktieren (z.B. Nitrosomas) und die Nitratbakterien (z.B. Nitrobacter). Die beiden Bakteriengruppen arbeiten so zu sagen "Hand in Hand", sind also von einander abhängig, denn zunächst muss Ammoniak in Nitrit und anschließend in Nitrat umgewandelt werden.

Der erste Schritt erfolgt durch die erste Bakteriengruppe, den Nitritbakterien. Diese oxidieren Ammoniak mit molekularem Sauerstoff zu Nitrit. Sie tun das natürlich nicht aus Pflichtbewusstsein der Natur gegenüber, sondern gewinnen in dem Prozess Energie.

NH3 + 1,5 O2 → NO2- + H2O
(2 Ammoniak-Moleküle werden unter Einwirkung von 3 Sauerstoff-Molekülen zu je 2 Nitrit und Wassermolekülen.)

Für den zweiten Schritt sind Nitratbakterien wie die Nitrobacter nötig, denn hier wird wiederum durch Oxidation Nitrit in Nitrat umgewandelt.

NO2- + 0,5 O2 → NO3-
(2 Nitrit-Molekule oxidieren mit einem Sauerstoff-Molekül zu einem Nitrat-Molekül.)

3. Stickstoffassimilation
Die anorganischen Verbindungen Nitrat und Ammoniak werden von Pflanzen und anderen autotrophen Organismen aufgenommen, um stickstoffhaltige organische Verbindungen wie Nucleinsäuren, Proteine und Aminosäuren zu bilden.

Auf viele Pflanzen wirkt sowohl Ammoniak als auch Nitrat daher düngend und regt diese zum Wachstum an.

Viele Pflanzen (v.a. Mangold und Spinat) speichern mehr Nitrat als sie brauchen. Daher kann es gesundheitsschädlich wirken, eines der stark nitratspeichernden Gemüse mehr als einmal aufzuwärmen, da bei einer künstlichen Nitrifikation durch Hitze (Kochtopf) Nitrit entsteht, welches vor allem für Kinder giftig ist.

Die Pflanzen werden von Konsumenten erster Ordnung verzehrt. Diese verwerten den pflanzlichen Stickstoff und setzen ebenfalls den Stickstoff als Baumittel für diverse organische Verbindungen ein (z.B. DNA).

Die Exkremente und Leichen von Mirkroorganismen, Pflanzen, Pilzen und Tieren enthalten selbstverständlich Stickstoff, welcher entweder (wie in 1. beschrieben) durch Ammonifikation zu Ammoniak umgewandelt wird oder durch andere chemische Prozesse frei wird.

4. Denitrifikation
Einige anaerobe Bakterien können unter Nitrat oder Nitrit zur Oxidation verwenden, um somit für sich Energie zu gewinnen. In mehreren Zwischenschritten wird dabei aus Nitrat oder Nitrit N2, welcher zum größten Teil in die Atmosphäre entweicht.

5. Stickstofffixierung
Nur wenige Lebewesen sind in der Lage, den wertvollen Stickstoff in seiner reinen Form zu binden, bzw. zu fixieren und ihn somit zugänglich für Pflanzen und Mikroorganismen zu machen. Zu den seltenen Fällen gehören Cyanobakterien, Bakterien der Gattung Frankia und andere Bakterien wie die Knöllchenbakterien.

Diese Bakterien leben vornehmlich in Symbiosen mit Pflanzen in deren Wurzelwerken, wo sie von dem Stoffaustausch mit den Pflanzen stark profitieren.

6. Nitrifikation durch Energie
Hier ist die natürliche Alternative der Nitrifikation zum Kochtopf gemeint. In der Atmosphäre vorkommender Stickstoff wird während eines Gewitter gebunden zu Nitrat.

Aufgaben:

• Zeichne dein eigenes Bild zum Stoffwechselkreislauf und gestalte es, um die Übersicht zu verbessern, farblich.
• Fasse den Ablauf noch einmal in eigenen Worten stichwortartig zusammen!