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Stickstoffkreislauf

Stickstoff ist ein lebenswichtiger Nährstoff für alle lebenden Organismen. Er ist der Baustein von Proteinen, DNA und Chlorophyll. Die meisten Stickstoffatome liegen als fest gebundene Paare vor und bilden Distickstoffgas (N2), das 78 % der Atmosphäre ausmacht. Trotz seines Überflusses können nur wenige Mikroorganismen die starke Dreifachbindung von N2 brechen, es verwerten und in eine leichter zugängliche Form (reaktiven Stickstoff) wie Ammoniak (NH3), Nitrat (NO3-) oder organischen Stickstoff umwandeln.

Der Transport von Stickstoff durch die Atmosphäre, Biosphäre und Geosphäre in verschiedenen Formen wird als Stickstoffkreislauf bezeichnet.

Die Darstellung gibt einen Überblick über den Stickstoffkreislauf. Vom ersten Stickstoffzustand mit der Bezeichnung „Luftstickstoff N 2“ gehen drei graue Pfeile nach links und nach unten - der erste Pfeil zeigt auf das Phänomen „Blitz“, der zweite Pfeil zeigt auf das Bild eines Baumes mit der Beschreibung „Stickstoff fixierende Bakterien in Wurzelknöllchen“, und der dritte Pfeil zeigt auf ein Bild von Bakterien mit der Beschreibung „Stickstoff fixierende Bakterien im Boden“. Diese drei Pfeile zeigen auf den zweiten möglichen Stickstoffzustand mit der Bezeichnung „Ammoniak N H 3“. Von diesem Kästchen aus geht der Pfeil nach außen, durchquert das Phänomen der „Nitrifikation“ und zeigt auf den dritten möglichen Stickstoffzustand namens Nitrite N O 2 minus. Dann durchquert der Pfeil erneut das Phänomen der „Nitrifikation“ und zeigt auf den vierten möglichen Zustand des Stickstoffs, die Nitrate N O 3 minus. Schließlich durchläuft der Pfeil das Phänomen der „Dentrifizierung“ und zeigt wieder auf den ersten Stickstoffzustand - den atmosphärischen Stickstoff. In der Mitte gehen zwei Pfeile vom Bild eines Tieres aus, die auf das Bild von toten Tieren und Pflanzen sowie von Zersetzern verweisen, die beide auf den zweiten Stickstoffzustand - Ammoniak - hinweisen. Daneben ist das Bild des Regens abgebildet, auf das Pfeile aus dem Bild des Vulkans und der Fabrik zeigen, und von dem drei Pfeile auf Ammoniak und Nitrate zeigen. Vom Bild der toten Tiere zeigt ein Pfeil auf die Fabrik und wird als „fossile Brennstoffe“ bezeichnet. Daneben ist das Bild des Düngers abgebildet, wobei ein Pfeil auf die Nitrate zeigt.

Stickstofffixierung

Der Prozess der Umwandlung von N2 in biologisch verfügbaren und reaktiven Stickstoff wird als Stickstofffixierung bezeichnet. Die Dreifachbindungen zwischen den Stickstoffatomen in N2 machen diese Verbindung sehr stabil. Nur bestimmte Organismen, die so genannten Stickstofffixierer, können die zum Aufbrechen der Dreifachbindung von N2 erforderliche Energie aufbringen. Beispiele für stickstofffixierende Organismen sind Bakterien der Gattung Rhizobium, Azotobacter, Clostridium und Cyanobakterien. Rhizobium geht eine symbiotische Beziehung mit Pflanzen, vor allem aus der Familie der Leguminosen (Bohnen, Klee und Erbsen) ein. Die Bakterien leben in den Wurzelknöllchen der Pflanze und liefern organischen Stickstoff im Austausch gegen Kohlenhydrate.

Die Stickstofffixierung kann auch abiotisch (ohne Organismen) durch Blitze, kosmische Strahlung und Waldbrände erfolgen. Bei diesen Prozessen verbindet sich N2 mit Sauerstoff und bildet die Stickoxide NO und NO2-. Diese Stickoxide vermischen sich mit Regen und fallen als Salpetersäure (HNO3) auf die Erdoberfläche.

Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe und den übermäßigen Einsatz synthetischer Stickstoffdünger hat der Mensch jedoch mehr zur Freisetzung von reaktivem Stickstoff in die Umwelt beigetragen als natürliche Prozesse. Die meisten menschengemachten Stickstoffe wie Stickstoffdünger sind das Ergebnis des Haber-Bosch-Verfahrens.

Nitrifikation

Nitrifikation ist die Umwandlung von Ammoniak in Nitrit (NO2-) und dann in Nitrat (NO3-). Der größte Teil der Nitrifikation erfolgt aerob und ausschließlich durch Prokaryoten. Ammoniakoxidierende und nitritoxidierende Bakterienarten sind in aerobem Milieu allgegenwärtig. Dazu gehören Nitrosomonas, Nitrosospira und Nitrosococcus, die Ammoniak zu Nitrit oxidieren, sowie Nitrobacter, Nitropinam, Nitrospira und Nitrococcus, die Nitrit zu Nitrat oxidieren.

Der erste Schritt der Nitrifikation umfasst zwei verschiedene Reaktionen. Zunächst wandelt ein Enzym namens Ammoniak-Monooxygenase Ammoniak in Hydroxylamin um. Danach wandelt ein Enzym namens Hydroxylamin-Oxidoreduktase Hydroxylamin in Nitrit um.

Schließlich wird das entstandene Nitrit durch ein Nitritoxidationsmittel weiter zu Nitrat oxidiert.

Die Oxidation von Ammoniak kann auch anaerob erfolgen. Dieser Prozess wird als Anammox (anaerobe Ammoniakoxidation) bezeichnet und wird von Bakterien wie Brocadia anammoxidans durchgeführt.

Ammonifikation

Stickstoffhaltige Abfälle in toten Pflanzen und Tieren werden von Bakterien und Pilzen in einem Prozess namens Ammonifikation in anorganisches Ammoniak (NH3) umgewandelt. Das dabei entstehende Ammoniak kann von Pflanzen zum Wachstum genutzt werden.

Denitrifikation

Denitrifikation ist der Prozess, bei dem Nitrat in Stickstoffgas umgewandelt wird, wodurch biologisch verfügbarer Stickstoff entfernt und in die Atmosphäre zurückgeführt wird.

Haber-Bosch-Verfahren

Die deutschen Wissenschaftler Fritz Haber und Carl Bosch entwickelten ein Verfahren zur Umwandlung von nicht reaktivem Luftstickstoff in Ammoniak. Bei diesem Verfahren wird der Luftstickstoff unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen direkt mit Wasserstoff kombiniert. Derzeit werden mit dem Haber-Bosch-Verfahren weltweit etwa 100 Terragramm (Tg) reaktiver Stickstoff (35 % des gesamten reaktiven Stickstoffs) pro Jahr erzeugt, wovon der größte Teil zur Herstellung von Stickstoffdüngern verwendet wird.

Globaler Stickstoffkreislauf

Die träge Natur von N2 begrenzt die Primärproduktivität vieler Ökosysteme, z. B. bei Pflanzen. Die Zunahme der menschlichen Bevölkerung kann den globalen Stickstoffkreislauf verändern, was die biologische Vielfalt, die globale Erwärmung, die Wasserqualität und die menschliche Gesundheit stark beeinflusst.

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