Was genau ist der Stickstoffkreislauf?

Stickstoff, das am häufigsten vorkommende Element in unserer Atmosphäre, ist lebenswichtig. Stickstoff findet sich in Böden und Pflanzen, im Wasser, das wir trinken, und in der Luft, die wir atmen. Auch für das Leben ist er unverzichtbar: Er ist ein wichtiger Baustein der DNA, die unsere Genetik bestimmt, und er ist für das Pflanzenwachstum und damit für die Lebensmittel, die wir anbauen, unerlässlich. Doch wie bei allem ist das Gleichgewicht entscheidend: Wenn zu wenig Stickstoff vorhanden ist, können die Pflanzen nicht gedeihen, was zu geringen Ernteerträgen führt; zu viel Stickstoff kann jedoch für Pflanzen giftig sein und auch unserer Umwelt schaden. Pflanzen, die nicht genug Stickstoff haben, werden gelblich und wachsen nicht gut und können kleinere Blüten und Früchte haben. Landwirte können Stickstoffdünger hinzufügen, um bessere Ernten zu erzielen, aber zu viel Stickstoff kann Pflanzen und Tieren schaden und unsere Wassersysteme verschmutzen. Das Verständnis des Stickstoffkreislaufs - wie sich Stickstoff in einem endlosen Kreislauf von der Atmosphäre zur Erde, durch die Böden und zurück in die Atmosphäre bewegt - kann uns helfen, gesunde Pflanzen anzubauen und unsere Umwelt zu schützen.

 

EINFÜHRUNG

Stickstoff, oder N, wie es wissenschaftlich abgekürzt wird, ist ein farbloses, geruchloses Element. Stickstoff ist in der Erde unter unseren Füßen, im Wasser, das wir trinken, und in der Luft, die wir atmen, enthalten. Tatsächlich ist Stickstoff das am häufigsten vorkommende Element in der Erdatmosphäre: Etwa 78% der Atmosphäre sind Stickstoff! Stickstoff ist für alle Lebewesen wichtig, auch für uns. Er spielt eine Schlüsselrolle für das Pflanzenwachstum: Zu wenig Stickstoff und die Pflanzen können nicht gedeihen, was zu geringen Ernteerträgen führt; zu viel Stickstoff kann jedoch für Pflanzen giftig sein [1]. Stickstoff ist für unsere Lebensmittelversorgung notwendig, aber ein Übermaß an Stickstoff kann die Umwelt schädigen.

 

WARUM IST STICKSTOFF WICHTIG?

Das empfindliche Gleichgewicht von Stoffen, die für die Aufrechterhaltung des Lebens wichtig sind, ist ein wichtiges Forschungsgebiet, und das Gleichgewicht von Stickstoff in der Umwelt ist keine Ausnahme [2]. Wenn es Pflanzen an Stickstoff mangelt, werden sie gelb, wachsen langsamer und produzieren kleinere Früchte und Blüten. Landwirte können ihren Pflanzen stickstoffhaltige Düngemittel zusetzen, um das Pflanzenwachstum zu steigern. Wissenschaftler schätzen, dass wir ohne Stickstoffdünger bis zu einem Drittel der Pflanzen verlieren würden, auf die wir für die Ernährung und andere Arten der Landwirtschaft angewiesen sind. Wir müssen jedoch wissen, wie viel Stickstoff für das Pflanzenwachstum notwendig ist, denn zu viel davon kann die Wasserwege verschmutzen und das Leben im Wasser beeinträchtigen.

 

STICKSTOFF IST DER SCHLÜSSEL ZUM LEBEN!

Stickstoff ist ein Schlüsselelement in den Nukleinsäuren DNADeoxyribonukleinsäure, einem selbstreplizierenden Material, das in fast allen lebenden Organismen als Hauptbestandteil der Chromosomen und Träger der genetischen Information vorkommt, und RNARibonukleinsäure, einer Nukleinsäure, die in allen lebenden Zellen vorkommt und als Bote fungiert, der die Anweisungen der DNS überträgt, die das wichtigste aller biologischen Moleküle und entscheidend für alle Lebewesen ist. Die DNA ist Träger der genetischen Information, d. h. der Anweisungen für den Aufbau einer Lebensform. Wenn Pflanzen nicht genügend Stickstoff erhalten, können sie keine Aminosäuren herstellen (Stoffe, die Stickstoff und Wasserstoff enthalten und aus denen viele lebende Zellen, Muskeln und Gewebe bestehen). Ohne Aminosäuren können Pflanzen die speziellen Proteine nicht herstellen, die die Pflanzenzellen zum Wachstum benötigen. Ohne genügend Stickstoff wird das Pflanzenwachstum negativ beeinflusst. Bei einem Zuviel an Stickstoff produzieren die Pflanzen einen Überschuss an Biomasse oder organischer Substanz, wie Stängel und Blätter, aber nicht genügend Wurzelwerk. In extremen Fällen können Pflanzen, die sehr viel Stickstoff aus dem Boden aufnehmen, Nutztiere vergiften, die sie fressen [3].

WAS GENAU IST DER STICKSTOFFKREISLAUF?

Der Stickstoffkreislauf ist ein sich wiederholender Kreislauf von Prozessen, bei dem Stickstoff durch lebende und nicht lebende Dinge wandert: die Atmosphäre, den Boden, das Wasser, die Pflanzen, die Tiere und die Bakterien - mikroskopisch kleine lebende Organismen, die in der Regel nur eine Zelle enthalten und überall zu finden sind. Bakterien können die Zersetzung oder den Abbau von organischem Material in Böden bewirken. Um die verschiedenen Teile des Kreislaufs durchlaufen zu können, muss Stickstoff seine Form ändern. In der Atmosphäre liegt Stickstoff als Gas (N2) vor, in den Böden jedoch als Stickstoffoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2), und bei der Verwendung als Düngemittel kann er auch in anderen Formen vorkommen, z. B. als Ammoniak (NH3), das zu einem anderen Düngemittel, Ammoniumnitrat (NH4NO3), weiterverarbeitet werden kann.

 

Der Stickstoffkreislauf besteht aus fünf Phasen, die wir nun der Reihe nach besprechen werden: Fixierung oder Verflüchtigung, Mineralisierung, Nitrifikation, Immobilisierung und Denitrifikation. In diesem Bild wandeln Mikroben im Boden Stickstoffgas (N2) in flüchtiges Ammoniak (NH3) um, so dass der Fixierungsprozess als Verflüchtigung bezeichnet wird. AuslaugungWenn ein Mineral oder eine Chemikalie (z. B. Nitrat oder NO3) aus dem Boden oder einem anderen Bodenmaterial abfließt und in die Umgebung gelangt, werden bestimmte Formen von Stickstoff (z. B. Nitrat oder NO3) in Wasser gelöst und sickern aus dem Boden aus, wodurch die Wasserwege verschmutzt werden können.

 

STUFE 1: STICKSTOFFFIXIERUNG

In diesem Stadium gelangt der Stickstoff aus der Atmosphäre in den Boden. Die Erdatmosphäre enthält einen großen Vorrat an Stickstoffgas (N2). Dieser Stickstoff ist jedoch für Pflanzen "nicht verfügbar", da die gasförmige Form von Pflanzen nicht direkt genutzt werden kann, ohne eine Umwandlung zu erfahren. Um von Pflanzen genutzt werden zu können, muss das N2 durch einen Prozess namens Stickstofffixierung umgewandelt werden. Bei der Fixierung wird der Stickstoff aus der Atmosphäre in Formen umgewandelt, die die Pflanzen über ihre Wurzelsysteme aufnehmen können.

 

Ein kleiner Teil des Stickstoffs kann fixiert werden, wenn der Blitz die Energie liefert, die für die Reaktion von N2 mit Sauerstoff erforderlich ist, wobei Stickstoffoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) entstehen. Diese Formen von Stickstoff gelangen dann durch Regen oder Schnee in den Boden. Stickstoff kann auch durch industrielle Verfahren zur Herstellung von Düngemitteln gebunden werden. Diese Form der Fixierung erfolgt unter hoher Hitze und hohem Druck, wobei Luftstickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak (NH3) kombiniert werden, das dann weiterverarbeitet werden kann, um Ammoniumnitrat (NH4NO3) zu erzeugen, eine Form von Stickstoff, die den Böden zugeführt und von Pflanzen genutzt werden kann.

 

Der Großteil der Stickstofffixierung erfolgt auf natürliche Weise im Boden durch Bakterien. In Abbildung 3 (oben) sehen Sie, wie die Stickstofffixierung und der Austausch von Formen im Boden ablaufen. Einige Bakterien heften sich an Pflanzenwurzeln und gehen mit der Pflanze eine symbiotische Beziehung ein (die sowohl für die Pflanze als auch für die Bakterien von Vorteil ist) [6]. Die Bakterien erhalten Energie durch Photosynthese und fixieren im Gegenzug Stickstoff in einer Form, die die Pflanze benötigt. Der fixierte Stickstoff wird dann zu anderen Teilen der Pflanze transportiert und zur Bildung von Pflanzengewebe verwendet, damit die Pflanze wachsen kann. Andere Bakterien leben frei im Boden oder im Wasser und können Stickstoff auch ohne diese symbiotische Beziehung binden. Diese Bakterien können auch Formen von Stickstoff erzeugen, die von Organismen genutzt werden können.

 

Abbildung 3 - Etappen des Stickstoffkreislaufs.

Abbildung 3 - Etappen des Stickstoffkreislaufs.

Der Stickstoffkreislauf: Der Stickstoffkreislauf, der die verschiedenen Formen im Boden durchläuft, bestimmt die Menge an Stickstoff, die den Pflanzen zur Aufnahme zur Verfügung steht. Quelle: https://www.agric.wa.gov.au/soil-carbon/immobilisation-soil-nitrogen-heavy-stubble-loads.

STUFE 2: MINERALISIERUNG

Diese Phase findet im Boden statt. Stickstoff wird aus organischem Material wie Dung oder Pflanzenmaterial in eine anorganische Form von Stickstoff umgewandelt, die Pflanzen nutzen können. Schließlich sind die Nährstoffe der Pflanze aufgebraucht, und die Pflanze stirbt und zersetzt sich. Dies wird in der zweiten Phase des Stickstoffkreislaufs wichtig. Die Mineralisierung findet statt, wenn Mikroben auf organisches Material wie Tierdung oder sich zersetzendes pflanzliches oder tierisches Material einwirken und beginnen, es in eine pflanzenverwertbare Form von Stickstoff umzuwandeln. Alle Kulturpflanzen mit Ausnahme der Hülsenfrüchte (Leguminosen), d. h. Bohnen, Linsen, Sojabohnen, Erdnüsse und Erbsen, sind Pflanzen mit halbierten Samenkapseln. (Pflanzen mit halbierten Samenkapseln, wie Linsen, Bohnen, Erbsen oder Erdnüsse) erhalten den Stickstoff, den sie benötigen, über den Boden. Leguminosen erhalten Stickstoff durch Fixierung in ihren Wurzelknöllchen, wie oben beschrieben.

Die erste Form des Stickstoffs, die durch den Mineralisierungsprozess entsteht, ist Ammoniak, NH3. Das NH3 im Boden reagiert dann mit Wasser und bildet Ammonium, NH4. Dieses Ammonium wird im Boden gespeichert und steht den Pflanzen zur Verfügung, die den Stickstoff nicht über die oben beschriebene symbiotische Stickstoffbindung erhalten.

STUFE 3: NITRIFIKATION

Die dritte Stufe, die Nitrifikation, findet ebenfalls in Böden statt. Bei der Nitrifikation wird das bei der Mineralisierung entstandene Ammoniak im Boden in Verbindungen umgewandelt, die als Nitrite, NO2-, und Nitrate, NO3-, bezeichnet werden. Nitrate können von Pflanzen und Tieren, die die Pflanzen verzehren, genutzt werden. Einige Bakterien im Boden können Ammoniak in Nitrite umwandeln. Obwohl Nitrit für Pflanzen und Tiere nicht direkt nutzbar ist, können andere Bakterien Nitrite in Nitrate umwandeln - eine Form, die für Pflanzen und Tiere nutzbar ist. Diese Reaktion liefert Energie für die an diesem Prozess beteiligten Bakterien. Die Bakterien, von denen wir hier sprechen, heißen Nitrosomonas und Nitrobacter. Nitrobacter verwandeln Nitrite in Nitrate, Nitrosomonas wandeln Ammoniak in Nitrite um. Beide Arten von Bakterien können nur in Anwesenheit von Sauerstoff, O2, wirken [7]. Der Prozess der Nitrifikation ist für Pflanzen wichtig, da er einen zusätzlichen Vorrat an verfügbarem Stickstoff erzeugt, der von den Pflanzen über ihr Wurzelsystem aufgenommen werden kann.

STUFE 4: IMMOBILISIERUNG

Die vierte Stufe des Stickstoffkreislaufs ist die Immobilisierung, die manchmal als das Gegenteil der Mineralisierung bezeichnet wird. Diese beiden Prozesse zusammen steuern die Stickstoffmenge im Boden. Wie die Pflanzen benötigen auch die im Boden lebenden Mikroorganismen - ein Organismus oder Lebewesen, das zu klein ist, um es ohne Mikroskop zu sehen, wie z. B. ein Bakterium - Stickstoff als Energiequelle. Diese Bodenmikroorganismen ziehen Stickstoff aus dem Boden, wenn die Rückstände der sich zersetzenden Pflanzen nicht genug Stickstoff enthalten. Wenn Mikroorganismen Ammonium (NH4+) und Nitrat (NO3-) aufnehmen, stehen diese Stickstoffformen den Pflanzen nicht mehr zur Verfügung und können zu Stickstoffmangel führen. Die Immobilisierung bindet also Stickstoff in den Mikroorganismen. Die Immobilisierung ist jedoch wichtig, weil sie dazu beiträgt, die Stickstoffmenge in den Böden zu kontrollieren und auszugleichen, indem sie den Stickstoff in Mikroorganismen bindet oder immobilisiert.

STUFE 5: DENITRIFIKATION

In der fünften Stufe des Stickstoffkreislaufs wird der Stickstoff wieder in die Luft abgegeben, da Nitrate durch Bakterien in atmosphärischen Stickstoff (N2) umgewandelt werden, ein Prozess, den wir Denitrifikation nennen. Dies führt zu einem Gesamtverlust an Stickstoff aus den Böden, da die gasförmige Form des Stickstoffs in die Atmosphäre gelangt, wo wir unsere Geschichte begonnen haben.

STICKSTOFF IST ENTSCHEIDEND FÜR DAS LEBEN

Der Stickstoffkreislauf im Ökosystem ist entscheidend für die Aufrechterhaltung produktiver und gesunder Ökosysteme mit weder zu viel noch zu wenig Stickstoff. Die Pflanzenproduktion und die Biomasse (lebendes Material) werden durch die Verfügbarkeit von Stickstoff begrenzt. Wenn wir verstehen, wie der Stickstoffkreislauf zwischen Pflanze und Boden funktioniert, können wir besser entscheiden, welche Pflanzen wir anbauen und wo wir sie anbauen, damit wir ausreichend mit Nahrungsmitteln versorgt sind. Das Wissen über den Stickstoffkreislauf kann uns auch dabei helfen, die Verschmutzung zu verringern, die durch die Zugabe von zu viel Dünger in die Böden entsteht. Bestimmte Pflanzen können mehr Stickstoff oder andere Nährstoffe wie Phosphor, einen anderen Dünger, aufnehmen und sogar als "Puffer" oder Filter eingesetzt werden, um zu verhindern, dass zu viel Dünger in die Wasserläufe gelangt. Eine Studie von Haycock und Pinay [8] hat beispielsweise gezeigt, dass Pappelbäume (Populus italica), die als Puffer verwendet werden, 99% des im Winter in den unterirdischen Wasserlauf gelangenden Nitrats zurückhalten, während eine mit einem bestimmten Gras (Lolium perenne L.) bewachsene Uferzone bis zu 84% des Nitrats zurückhält und somit verhindert, dass es in den Fluss gelangt.

Wie Sie gesehen haben, lässt zu wenig Stickstoff in den Böden die Pflanzen hungern, während zu viel des Guten schlecht sein kann: Stickstoffüberschuss kann Pflanzen und sogar Vieh vergiften! Die Verschmutzung unserer Gewässer durch überschüssigen Stickstoff und andere Nährstoffe ist ein großes Problem, da Meereslebewesen an der Zersetzung toter Algenblüten ersticken. Landwirte und Gemeinden müssen daran arbeiten, die Aufnahme zusätzlicher Nährstoffe durch die Pflanzen zu verbessern und tierische Abfälle ordnungsgemäß zu behandeln. Wir müssen auch die natürlichen pflanzlichen Pufferzonen schützen, die den Stickstoffabfluss aufnehmen können, bevor er in die Gewässer gelangt. Die derzeitige Praxis der Abholzung von Bäumen für den Bau von Straßen und anderen Bauvorhaben verschlimmert dieses Problem jedoch, da weniger Pflanzen übrig bleiben, die überschüssige Nährstoffe aufnehmen können. Wir müssen weiter erforschen, welche Pflanzenarten in Küstengebieten am besten geeignet sind, um überschüssigen Stickstoff zu binden. Außerdem müssen wir andere Wege finden, um das Problem des Stickstoffüberschusses in den aquatischen Ökosystemen zu lösen oder zu vermeiden. Indem wir auf ein umfassenderes Verständnis des Stickstoffkreislaufs und anderer Kreisläufe hinarbeiten, die in den vernetzten natürlichen Systemen der Erde eine Rolle spielen, können wir besser verstehen, wie wir die wertvollen natürlichen Ressourcen der Erde besser schützen können.