Ökologie

Durch den Stickstoffkreislauf wandert das Element Stickstoff zwischen Gewässern, Böden und der Atmosphäre umher. Wie das funktioniert, erklären wir dir hier Schritt für Schritt.%Schau dir unser Video zu dem Thema an, wenn du es noch schneller verstehen möchtest!

Inhaltsübersicht

Stickstoffkreislauf einfach erklärt

Das chemische Element Stickstoff (Symbol N) kommt in der Biosphäre (belebte Umwelt) in verschiedenen Formen vor. In unserer Luft liegt er zum Beispiel als elementarer Stickstoff vor. Stickstoff durchläuft im sogenannten Stickstoffkreislauf vier zentrale Schritte:

  • Stickstofffixierung
  • Nitrifikation
  • Denitrifikation
  • Ammonifikation

Molekularer Stickstoff ist für die meisten Organismen nicht verwertbar. Deshalb wird er im Stickstoffkreislauf in andere Formen wie Ammonium-Ionen (NH4+) oder Nitrat (NO3) umgewandelt. Vor allem für die Pflanzen ist es essenziell, da sie sonst keine stickstoffhaltigen Proteine zur Verfügung hätten. Die brauchen sie zum Beispiel für ihr Wachstum.

%<img class="alignnone  wp-image-121161" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/03/Stickstoffkreislauf-300x191.png" alt="" width="339" height="216" /> %Beschriftung: Stickstoffkreislauf %alt.Text: N Kreislauf, Nitratkreislauf, Stickstoff Kreislauf, Stickstoffkreislauf Boden, Stickstoffkreislauf Biologie, Stickstoffkreislauf Chemie, Stickstoffkreislauf einfach erklärt %@animation: so ähnlich darstellen, aber andere Farben verwenden und das Schema Stickstoffkreislauf in der Mitte weglassen

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Stickstoffkreislauf
Definition

Der Stickstoffkreislauf (auch Stickstoffzyklus oder N-Kreislauf) beschreibt die stetige Wanderung und chemische Umsetzung von elementarem Stickstoff in Böden und Gewässern. 

Stickstofffixierung

Der erste Schritt des Kreislaufs von Stickstoff beginnt mit dem Stickstoff, der in der Luft enthalten ist. Du nennst ihn die Stickstofffixierung. Darunter verstehst du die Fixierung von Stickstoff in anderen Verbindungen. Dafür muss die Stickstoffbindung vom elementaren Stickstoff erstmal gespalten werden. Dabei kannst du zwischen einer abiotischen und einer biotischen Stickstofffixierung unterscheiden.

Bei einer biotischen Stickstofffixierung erledigen Stickstoff-fixierende Bakterien die Spaltung der Stickstoffbindung. Ein Beispiel dafür sind die sogenannten Knöllchenbakterien. Sie gehen mit den Pflanzenwurzeln eine Symbiose (Zusammenleben) ein. Das heißt, die Knöllchenbakterien liefern den Pflanzen Stickstoff und bekommen im Gegenzug für sie wichtige Nährstoffe. So erfolgt die indirekte Stickstoffaufnahme der Pflanzen. Indirekt deshalb, weil sie Stickstoff in Form von Ammonium-Ionen (NH4+) oder Ammoniak (NH3) durch die Bakterien bekommen.

Durch Sonneneinstrahlung oder einen Blitzschlag kann der elementare Stickstoff in der Luft zu Ammonium-Ionen (NH4+) oder Ammoniak (NH3) reagieren. Das nennst du die abiotische Stickstofffixierung. 

%<img class="alignnone size-medium wp-image-121868" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/03/Stickstofffixierung-1-300x180.png" alt="" width="300" height="180" /> %Beschriftung: Stickstofffixierung %alt.Text: Stickstoffkreislauf, N Kreislauf, Nitratkreislauf, Nitrat Stickstoff, Stickstofffixierung Pflanzen %@animation: bitte noch einen roten Strich o.ä. zwischen die beiden N's, damit man sieht dass die Bindung gespalten wird + bitte statt Bakterien stickstoff-fixierende Bakterien schreiben + das unter NH<sub>3</sub> heißt Ammoniak + wenn möglich noch an dem Pfeil zu Ammonium-Ionen biotisch schreiben und auf den Pfeil zu Ammoniak abiotisch

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Stickstofffixierung

Nitrifikation

Pflanzen nehmen aber bevorzugt Nitrat auf. Deshalb kommt jetzt der zweite Schritt des Stoffkreislaufs: die Nitrifikation. Viele Gewässer und Böden sind gut belüftet, das heißt es ist Sauerstoff vorhanden. Das machen sich gewisse Bakterien, die du Nitrifizierer nennst, zu Nutze. Sie wandeln jetzt die Ammonium-Ionen über Nitrit (NO2) in Nitrat (NO3) um. 

In einer Reaktionsgleichung geschrieben sieht das also so aus:

NH4+ \longrightarrow NO2– \longrightarrow NO3

Auch Ammoniak kann mithilfe von Sauerstoff in Nitrat umgewandelt werden:

NH+ 2 O2 \longrightarrow NO3– + H+ + H2O

Das Nitrat können die Pflanzen jetzt problemlos aufnehmen und für die Herstellung von Proteinen oder anderen Verbindungen nutzen.

%<img class="alignnone size-medium wp-image-121236" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/03/Nitrifikation-300x156.png" alt="" width="300" height="156" /> %Beschriftung: Nitrifikation %alt.Text: Stickstoffkreislauf, N Kreislauf, Nitratkreislauf, Nitrat Stickstoff, Stickstofffixierung Pflanzen, Nitrifikation Denitrifikation %@animation: bitte in dem "Kasten" noch die Gleichung mit NH<sub>3</sub> zu NO<sub>3</sub><sup>-</sup> ergänzen

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Nitrifikation

Nach der Nitrifikation gibt es jetzt zwei Möglichkeiten, wie der Kreislauf weiter geht. Es gibt einen „inneren“ und einen „äußeren“ Kreislauf.  Der innere Kreislauf schließt sich schneller wieder und beinhaltet als nächsten Schritt die Ammonifikation%Beschriftung: "Innerer" Kreislauf %@animation: hier vielleicht dann Stickstofffixierung --> Nitrifikation --> Ammonifikation --> Stickstofffixierung als kleineren Kreislauf darstellen; also quasi das "innere" vom Bild aus dem Einfach erklärt

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„Innerer“ Kreislauf

Ammonifikation

Viele Tiere – wie zum Beispiel Kühe – essen Pflanzen. Dadurch nehmen sie alle wichtigen stickstoffhaltigen Proteine und andere stickstoffhaltige Verbindungen auf. Anschließend werden sie verdaut und wieder ausgeschieden. Sogenannte Fäulnisbakterien und Pilze sind dann dafür verantwortlich, dass die ausgeschiedenen stickstoffhaltigen Verbindungen weiter zersetzt werden. Das machen sie zum Beispiel auch bei toten Pflanzen und abgefallenen Blättern. 

Dabei entsteht dann erst Ammoniak (NH3), was zu Ammonium-Ionen (NH4+) weiter reagieren kann. Deshalb nennst du den Schritt auch Ammonifikation. Sie schließt also sozusagen den „inneren“ Kreis des Stickstoffkreislaufs.

%<img class="alignnone size-medium wp-image-121883" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/03/Ammonifikation-1-300x154.png" alt="" width="300" height="154" /> %Beschriftung: Ammonifikation %alt.Text: Stickstoffkreislauf, N Kreislauf, Nitratkreislauf, Nitrat Stickstoff, Stickstofffixierung Pflanzen, Nitrifikation Denitrifikation, Ammonifizierung

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Ammonifikation

Denitrifikation

Bei dem „äußeren“ Kreislauf ist die Denitrifikation der letzte Schritt. Das bei der Nitrifikation im Boden entstandene Nitrat wird nämlich nicht nur von Pflanzen genutzt. Sondern auch von Bakterien, die du denitrifizierende Bakterien nennst. Sie kommen an Stellen im Boden vor, die nicht so gut belüftet sind. Das heißt, an den Stellen ist kein Sauerstoff vorhanden. Sie wandeln dort Nitrat über Nitrit entweder zu Lachgas (N2O) und Stickstoffmonoxid (NO) oder sogar noch weiter zu elementarem Stickstoff (N2) um. Da Nitrat hier reduziert wird, nennst du den Schritt auch Nitratreduktion.

Die Reaktionsgleichung zur Denitrifikation sieht so aus:

NO3 \longrightarrow NO2–  \longrightarrow NO + N2O \longrightarrow N2

%<img class="alignnone size-medium wp-image-121242" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/03/Denitrifizierung-1-300x163.png" alt="" width="300" height="163" /> %Beschriftung: Denitrifikation %alt.Text: Stickstoffkreislauf, N Kreislauf, Nitratkreislauf, Nitrat Stickstoff, Stickstofffixierung Pflanzen, Nitrifikation Denitrifikation %@animation: das gelbe bitte weglassen + bitte nach Nitrat noch einen Pfeil einfügen zu NO<sub>2</sub><sup>-</sup> und Nitrit drunter schreiben

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Denitrifikation

Das entstandene Lachgas bzw. der elementare Stickstoff wird dann an die Luft abgegeben. Er kann dann zum Beispiel wieder von Bakterien fixiert werden und der Kreislauf beginnt von vorne. %Beschriftung: Äußerer Kreislauf %@animation: hier dann alles vom einfach erklärt Bild darstellen außer Ammonifikation

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„Äußerer“ Kreislauf

Stickstoffkreislauf See

Tote Tiere oder Pflanzen können auch in Gewässer wie Seen oder Meere gelangen. Der Stickstoff der toten Biomasse wird dann in der tropholytischen Schicht (lichtarmer / lichtloser Tiefenbereich eines stehenden Gewässers) in Ammoniak (NH3) umgewandelt. Wie bei der Nitrifikation im Boden können auch hier Bakterien unter aeroben Bedingungen (Sauerstoff vorhanden) den Ammoniak über Nitrit (NO2) in Nitrat (NO3) umwandeln.

Die Reaktionsgleichung für die Nitrifikation unterscheidet sich aber dennoch etwas von der im Boden. Denn: Im Wasser zersetzt sich Ammoniak zu Ammonium-Ionen (NH4+), wodurch noch Hydroxid-Ionen (OH) entstehen:

NH+ H2O \longrightarrow NH4+ OH

Dann läuft die Nitrifikation aber weiter wie im Boden:

NH4+ \longrightarrow NO2– \longrightarrow NO3

Nitrat Dünger

In der Landwirtschaft wird Nitrat häufig als Dünger verwendet. Dafür wird zuerst über Stickstoff Ammoniak hergestellt. Das passiert im sogenannten Haber-Bosch-Verfahren . Wir Menschen greifen damit stark in den natürlichen Stickstoffkreislauf ein. Die Pflanzen nehmen zwar das meiste Nitrat auf, aber durch das Düngen entsteht auch Lachgas. Da Lachgas ein Treibhausgas ist, ist es sehr schädlich für die Umwelt und für das Klima. 

Ein weiteres Problem ist, dass Nitrat nicht an Bodenbestandteile gebunden werden kann. Dadurch kann es in die Gewässer und somit auch in unser Grundwasser gelangen. Deshalb ist zu viel düngen auch schädlich für unser Trinkwasser. Denn ein zu hoher Nitratgehalt im Trinkwasser kann gefährlich werden. Das liegt daran, dass Nitrat in unserem Körper mit Aminen zu krebserregenden Stoffen reagieren kann. %Nicht nur in den Stickstoffkreislauf greifen wir Menschen enorm ein. Das machen wir auch bei dem sogenannten Kohlenstoffkreislauf der Erde. Schau dir jetzt unser Video dazu an, um zu erfahren, wie wir Menschen in ihn eingreifen und wie der Kohlenstoffkreislauf abläuft %Thumbnail Kohlenstoffkreislauf

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