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Context: Der Stickstoffkreislauf

Schlüsselbegriffe: Stickstoff-Fixierung, Nitrifizierung, Denitrifizierung, Assimilation, Düngung, Stickoxidemissionen

 Der Stickstoffkreislauf

Der Stickstoffkreislauf ist existentiell für das Leben auf unserem Planeten und damit natürlich auch für unser menschliches Leben. Stickstoffverbindungen spielen eine zentrale Rolle im Stoffwechsel lebendiger Organismen. Viele organische Moleküle in den Körpern von Pflanzen, Tieren und Menschen enthalten Stickstoffverbindungen (z.B. Aminosäuren, Proteine und DNA).
Aber Stickstoffverbindungen sind auch in den chemischen Prozessen in der Atmosphäre präsent und haben einen Einfluss auf das Klimasystem.

1. Der Stickstoffkreislauf: A = Assimilation durch Pflanzen, F = Fixierung von Stickstoff durch Bakterien in Symbiose mit Pflanzen oder freien Bakterien im Boden, N = Nitrifizierung, D = Denitrifizierung, M = Mineralisierung - Bitte klicke die Grafik zum Vergrößern an! (140 KB)
Schema: Elmar Uherek

Insgesamt gesehen beruht der Stickstoffkreislauf auf chemischen Reaktionen in der Luft (die Oxidation dominiert hier) und chemischen Reaktionen in der Welt der Lebendigen, der Biosphäre, sowohl in Pflanzen als auch in Mikroorganismen. Hier finden Oxidationen und Reduktionen statt.

 Stickstofffixierung, Nitrifikation und Denitrifikation

Pflanzen benötigen Stickstoffverbindungen, um zu wachsen. In der Natur kann Stickstoff in Formen (Verbindungen) verfügbar sein, die für Pflanzen zugänglich sind, wie zum Beispiel Nitrate oder Ammoniumverbindungen. Er kann auch in für Pflanzen unzugänglichen Formen vorliegen, wie z.B. Luftstickstoff oder Lachgas (Distickstoffmonoxid). Die ineinander Umwandlung beider Formen findet während der Stickstofffixierung und der Denitrifikation statt.

Stickstofffixierung heißt der Vorgang, bei dem Stickstoffverbindungen aus der Luft (vor allem N₂) für Pflanzen verfügbar gemacht wird. Die Aufgabe der Stickstofffixierung wird vor allem von Bakterien oder Cyanobakterien übernommen. Sie leben entweder im Boden oder in einer Lebensgemeinschaft mit Pflanzen oder auch einigen wenigen Tierarten. Die Familie der Lippenblütler z.B. (Fabaceae) beherbergt Stickstoff fixierende Bakterien in ihren Wurzeln. Produkte der Stickstofffixierung sind Ammoniak, Nitrite und Nitrate.

Die Nitrifizierung ist der zweite Schritt der Stickstofffixierung. Sehen wir Ammoniak als erstes Produkt des Gesamtvorganges an, dann bezeichnen wir die Umwandlung von Ammoniak zu Nitriten und Nitraten, die durch nitrifizierende Bakterien erfolgt, als Nitrifikation.

Denitrifizierung heißt der Vorgang, bei dem Nitrat zu Luftstickstoff umgewandelt wird. Auch dieser Prozess erfolgt über Mikroorganismen (Bacillus, Pseudomonas und andere Bakterien), die vor allem in schlecht durchlüfteten Böden von Sauerstoff- auf Nitratatmung umstellen. Die Denitrifikation erfolgt über mehrere Zwischenstufen. Die wichtigste ist die zum Distickstoffmonoxid (Lachgas = N₂O). Die Gase diffundieren zurück in die Atmosphäre. Diststickstoffmonoxid ist ein langlebiges Treibhausgas.

 Assimilation und Mineralisierung

In der Pflanzenwelt austauschbare Stickstoffverbindungen können in anorganischer Form gespeichert werden (Nitrate) oder als organischer Stickstoff in den lebendigen Organismus eingebaut werden.

Als Assimilation bezeichnen wir die Umwandlung anorganischer Stickstoffverbindungen (wie z.B. Nitrat) in eine organische Verbindung, wie z.B. die Aminosäure. Nitrat wird zu diesem Zweck durch Enzyme reduziert: zunächst zu Nitrit durch die Nitrat-Reduktase, dann zu Ammoniak durch die Nitrit-Reduktase. Ammoniak wird in Aminosäuren eingebunden.

Die Mineralisierung (Ammoniafikation) ist ein Vorgang, bei dem abbauende Organismen wie Erdwürmer, Termiten, Schnecken, Bakterien und Pilze den organischen Stickstoff abgestorbener Pflanzen in die anorganischen Formen umwandeln. Der erste Schritt besteht in der Bildung von Ammoniak und seinen Salzen (NH₄⁺X^-).

 Atmosphärische Oxidation

Die wichtigsten Wege der Bildung von Stickoxiden auf natürlichem Weg sind Oxidationsprozesse unter sehr heißen Bedingungen. Dies kann z.B. die Verbrennung in den heißen Abschnitten offener Vegetationsfeuer sein oder die Oxidation des unter normalen Bedingungen reaktionsträgen molekularen Stickstoffs in Blitzen oder bei Vulkanausbrüchen.
Die Hauptprodukte solcher Prozesse sind Stickstoffmonoxid NO und Stickstoffdioxid NO₂, sowie nach weiterer Reaktion Salpetersäure HNO₃. Wie im Artikel "Forschung" erwähnt, führen bestimmte Konzentrationen von NO und NO₂ zur Bildung von Ozon, wenn Kohlenwasserstoffe und Sonnenlicht verfügbar sind.

 Menschlicher Einfluss

Stickoxide und Ozonsmog

Zusätzlich zu den natürlichen Prozessen in der Atmosphäre fügen wir Menschen der Luft große Mengen an NO und NO₂ aus technischen Verbrennungsprozessen zu. Dominierend ist hierbei die Verbrennung in Automotoren. Wird die durchschnittliche Konzentration in der Luft zu hoch, so führt dies unter bestimmten Bedingungen zu Ozonsmog.

Düngung und Eutrophierung

Um die Wachstumsbedingungen für Feldfrüchte zu verbessern, bringen Landwirte stickstoffhaltige Dünger in den Boden ein. Dies kann als technische Stickstofffixierung bezeichnet werden, die z.B. auf der Ammoniak-Synthese im Haber-Bosch Prozess beruht.

Wird zuviel Dünger aufgebracht und von den Pflanzen nicht aufgenommen, so kommt es zu einer doppelten negativen Auswirkung. Ammoniumverbindungen und Nitrate werden ausgewaschen und finden ihren Weg in Gewässer oder die Küstenregionen der Meere. Hier führt die Überdüngung (Eutrophierung) zu einem zu starken Wachstum von Pflanzen und Algen (Phytoplankton). Das Leben in den Gewässern kann ausgelöscht werden, wenn der Sauerstoffgehalt durch den Abbau der abgestorbenen Pflanzen zu stark reduziert wird.

Zudem wird die Denitrifikation verstärkt und mehr Distickstoffmonoxid N₂O wird erzeugt. Das verstärkt den Treibhauseffekt und das N₂O, das die Stratosphäre erreicht, wird zu anderen Stickoxiden umgewandelt, die den Abbau der Ozonschicht beschleunigen.

Autor:
Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz