Lexikon der Biologie



Stickstoffkreislauf



Stickstoff liegt in der Biosphäre in verschiedenen Formen vor. In der Atmosphäre sind riesige Mengen an molekularem Stickstoff (N2) enthalten. Dieser Stickstoff ist zum größten Teil nicht direkt für lebende Organismen verfügbar. Eine Nutzung des atmosphärischen Stickstoffs ist erst möglich, wenn die extrem stabile kovalente Dreifachbindung (N≡N) zwischen 2 Stickstoffatomen gespalten wird. Dies geschieht im wesentlichen bei der biologischen Stickstoffixierung durch stickstoffixierende Bakterien und bei der industriellen Stickstoffixierung. Bei beiden Formen der Stickstoffixierung entsteht Ammonium. Stickstoff kann auch atmosphärisch fixiert werden durch Blitzentladungen und photochemische Umwandlung (Photochemie) von molekularem Stickstoff in Nitrat. Nach der Bindung des Stickstoffs tritt dieser in einen biogeochemischen Kreislauf ein. Pflanzen und Mikroorganismen konkurrieren in diesem Kreislauf um Ammonium, das bei der Fixierung gebildet wird, oder um den Stickstoff, der durch den Abbau organischer Verbindungen (Mineralisation) im Boden freigesetzt wird. In den Pflanzen und Mikroorganismen wird der Stickstoff in Form von Aminosäuren, Proteinen und anderen Verbindungen festgelegt. Über die Phytophagennahrungskette und die Destruenten-Saprophagen-Nahrungskette wird der Stickstoff wieder weitergegeben, bis die organischen Stickstoffverbindungen des Bestandsabfalls durch Ammonifikation wieder in Ammonium (NH4+) überführt werden. An der Ammonifikation sind Protein abbauende Bakterien- und Pilzarten beteiligt. Eine Quelle für Ammonium sind auch stickstoffhaltige Ausscheidungsprodukte (Exkrete) von Tieren. Bei hohen pH-Werten kann das bei der Ammonifikation entstandene Ammonium in Ammoniak (NH3) umgewandelt werden, das in die Atmosphäre gelangt. Ammonium kann von Pflanzen als anorganische Stickstoffquelle genutzt werden. Ein Teil des Ammoniums wird unter aeroben Bedingungen durch nitrifizierende Bakterien zu Nitrat oxidiert (Nitrifikation). Das entstandene Nitrat ist für die meisten Höheren Pflanzen die wichtigste Stickstoffquelle. Die Nitrifikation ist daher in allen Ökosystemen von besonderer Bedeutung. Die meisten Bakterien verwerten auch Nitrat als Stickstoffquelle. Bei Sauerstoffmangel können einige Bakterienarten Nitrat als Wasserstoffakzeptor zum Gewinn von Stoffwechselenergie nutzen (Nitratatmung). Nitrat kann dabei nur bis zum Nitrit, bis zum Ammonium (= Nitratammonifikation) oder zu Stickstoffoxiden (NO, N2O) und Stickstoff (N2) umgewandelt werden (Denitrifikation). Bei der Denitrifikation gelangt der vorher im Nitrat gebundene Stickstoff wieder in die Atmosphäre. – Ein großer Teil der Stickstoffverbindungen in der Atmosphäre besteht aus Stickoxiden (NOx), die hauptsächlich aus Verbrennungsprozessen stammen. Die Stickoxide werden teilweise weiträumig verfrachtet und gelangen durch Niederschläge in terrestrische und aquatische Ökosysteme.

Die Abb. zeigt schematisch den Stickstoffkreislauf in einem Landökosystem.

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