Lexikon der Biologie: Kohlenstoffkreislauf
Kohlenstoffkreislauf, Kohlendioxidkreislauf, Gesamtheit aller Auf-, Um- und Abbauprozesse, durch die Kohlenstoff und seine Derivate umgesetzt werden ( vgl. Tab. ). Wichtigste Verbindung im Kohlenstoffkreislauf ist das Kohlendioxid, das in der Photosynthese und durch chemolithoautotrophe Bakterien (Chemolithotrophie) in Zellsubstanzen gebunden und durch den Stoffwechsel der chemoorganotrophen Organismen (Chemoorganotrophie) wieder freigesetzt wird (anaerobe Atmung, Atmung, Energieflußdiagramm, Gärung). Aerob ist der Kohlenstoffkreislauf mit dem Sauerstoffkreislauf, der Freisetzung von O2 (Sauerstoff) in der Photosynthese und dem O2-Verbrauch in der Atmung, verbunden ( vgl. Abb. ). Anaerob läuft ein Teil des Kohlenstoffkreislaufs ohne Beteiligung von O2. Von großer Bedeutung ist ein weiterer Teil des Kohlenstoffkreislaufs, die Bildung von Methan unter anaeroben Bedingungen durch die methanbildenden Bakterien. Aerob wird Methan wieder zu CO2 oxidiert, und zwar durch methanoxidierende Bakterien, in der Atmosphäre durch Lichtreaktionen und als Erdgas oder Biogas durch Verbrennen. Von wesentlicher Bedeutung ist der Austausch von CO2 innerhalb der Atmosphäre sowie zwischen der Atmosphäre, dem Boden (inklusive Pflanzen und sonstigen Organismen) und dem Wasser (vor allem Ozeane und darin lebende Organismen). – Produzenten, die aus CO2 (Kohlendioxid) und H2O (Wasser) unter Verwertung der Licht-Energie organische Substanzen (Biomasse, Bruttophotosynthese, Nettoprimärproduktion) aufbauen, sind grüne Pflanzen, Algen, phototrophe Bakterien und Cyanobakterien. Der Aufbau von Biomasse durch chemolithoautotrophe Bakterien ist im Vergleich zur CO2-Assimilation im Licht von geringer Bedeutung, kann aber in besonderen Ökosystemen (im Dunkeln) ein von Sonnenenergie unabhängiges Leben ermöglichen (Hydrothermalquellen, schwefeloxidierende Bakterien). Konsumenten sind hauptsächlich die Tiere, die die Biomasse als Nahrung zum Leben benötigen und verbrauchen. „Geschlossen" wird der Kohlenstoffkreislauf durch die Destruenten, hauptsächlich Bakterien und Pilze, die die organischen Ausscheidungsprodukte der Organismen und die tote Biomasse in einfache anorganische Verbindungen zerlegen, die den Produzenten wieder als Nährstoffe dienen (Mineralisation). – Der Kohlenstoffkreislauf ist nicht geschlossen. Ein Teil des CO2 sowie des Methans bleibt in der Atmosphäre, wobei die Zunahme der CO2-Konzentration zum größten Teil auf Emissionen durch Verwendung fossiler Brennstoffe (5–6 Gigatonnen pro Jahr) und Brandrodung (1–2 Gigatonnen pro Jahr; Feuerökologie) zurückzuführen ist (Klima, Klimaänderungen, Treibhauseffekt). Dagegen wirken die oberen Schichten der Meere als regelrechte Kohlendioxidsenke, in denen CO2 durch Algen photosynthetisch fixiert und in Form von Kalkskeletten (Kalk) mariner Organismen dauerhaft gebunden wird. In den Meeren befindet sich 50–60 mal mehr Kohlendioxid als in der Atmosphäre (davon 97% in anorganischer Form), weshalb sich schon geringe Änderungen in der CO2-Konzentration der Meere in entsprechend starken Veränderungen im CO2-Gehalt der Atmosphäre bemerkbar machen. Ein wesentlicher Teil des CO2 bleibt durch die außerordentlich langsame Mineralisation einer Reihe künstlich hergestellter organischer Verbindungen (Abbau, abbauresistente Stoffe) und Humusbestandteile (Humus) des Bodens gebunden. Außerdem werden unter Luftabschluß eine Reihe von organischen Verbindungen nicht vollständig oder nur sehr langsam abgebaut, so daß es im Verlauf der Erdgeschichte zur Ablagerung von fossiler Biomasse kam (Erdgas, Erdöl, Kerogen, Kohle). Dieses Material wird zusammen mit Calciumcarbonatablagerungen in tieferen Erdregionen unter hohem Druck und hohen Temperaturen zu CaSiO3 und CO2 verwandelt. Das CO2 wird über den Vulkanismus oder über den Kontakt mit Wasser wieder der Erdoberfläche und der Atmosphäre zugeführt. Der größte Teil des Kohlenstoffs ist in den Sediment-Gesteinen der Erdkruste in Form organischer und anorganischer Verbindungen (einschließlich fossiler Brennstoffe) abgelagert. Dem gegenüber erscheint der real im Kohlenstoffkreislauf zirkulierende Kohlenstoffanteil verschwindend klein. Dahinter verbirgt sich ein in Trägheit und Dimension mehrfach größerer geochemischer Kohlenstoffkreislauf, welcher in seinen Oszillationen auch für die Entstehung von Kalt- und Warmzeiten auf der Erde verantwortlich gemacht wird. Kohlendioxidassimilation, Kohlendioxidfixierung, Liebig (J. von), Stoffkreisläufe; Kohlenstoffkreislauf .
Lit.: Apps, M.J., Price, D.T. (eds.): Forest ecosystems, forest management and the globel carbon cycle. Heidelberg – Berlin 1996.
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Kohlenstoffkreislauf
1 aerober Kohlenstoff- und Sauerstoffkreislauf, 2 anaerober Kohlenstoffkreislauf, 3 Kohlendioxid-Methan-Kreislauf
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