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Der Stickstoffkreislauf

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Team Realfilm
Der Stickstoffkreislauf
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Beschreibung Der Stickstoffkreislauf

Inhalt

Der Stickstoffkreislauf einfach erklärt

In der Ökologie, einem Teilgebiet der Biologie, finden wir viele Stoffkreisläufe. Oft greifen sie ineinander wie die Zahnräder eines Uhrwerks. Heute wollen wir uns mit einem ganz bestimmten Stoffkreislauf beschäftigen – dem Stickstoffkreislauf.

Stickstoffkreislauf – Definition

Stickstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol $\ce{N}$. In der Natur finden wir es in Form des gasförmigen Stickstoffmoleküls $\ce{N2}$ – unsere Atemluft besteht zu 78 % aus Stickstoff – und in zahlreichen chemischen Verbindungen. So ist Stickstoff ein essenzieller Bestandteil von Aminosäuren, den Grundbausteinen der Proteine und der DNA. Die Weitergabe und Wiederverwendung von Stickstoff kann in einem Stickstoffkreislauf zusammengefasst werden.

In der Biologie definiert man den Stickstoffkreislauf wie folgt:
Der Kreislauf des Stickstoffs umfasst dessen Umwandlung vom gasförmigen Stickstoff (in der Luft) in anorganische und organische Stickstoffverbindungen sowie die Rückführung in die Umwelt über mehrere Schritte. Einfach erklärt hat der Stickstoffkreislauf die Funktion, Stickstoff innerhalb eines Ökosystems zu transportieren.

Schritte des Stickstoffkreislaufs

Der Stickstoffkreislauf ist also ein natürliches Recyclingverfahren, das Stickstoff aufnimmt und in lebenswichtige Verbindungen umwandelt. Wie das genau abläuft, erfährst du im Folgenden am Beispiel Ökosystem Wald:

  • Fixierung von Stickstoff: Der Kreislauf beginnt damit, dass molekularer Stickstoff $(\ce{N2})$ aus der Atmosphäre gebunden wird. Dabei wandeln hauptsächlich Stickstoff fixierende Bakterien (Knöllchenbakterien) im Boden molekularen Stickstoff $(\ce{N2})$ in Ammoniak $(\ce{NH3})$ um. Knöllchenbakterien leben beispielsweise in einer Symbiose mit dem Wurzelgeflecht von Pflanzen.

  • Nitrifikation: Pflanzen können Ammoniak nur aufnehmen, wenn sie in Symbiose mit Stickstoff fixierenden Bakterien leben. Nitrate $(\ce{NO3-})$ und Nitrite ($\ce{NO2-}$) können sie jedoch ungehindert über die Wurzeln aufnehmen. Die zweistufige Umwandlung von Ammoniak über Nitrit zu Nitrat bezeichnet man als Nitrifikation. Die Reaktionen werden von nitrifizierenden Bakterien im Boden durchgeführt. Nach der Aufnahme der Nitrate aus dem Boden können Pflanzen Proteine ​​herstellen. Im Verlauf der Nahrungskette wird über Proteine lebensnotwendiger Stickstoff weitergegeben. Pflanzenfresser nehmen die Proteine aus Pflanzen auf, Fleischfresser beziehen ihre Proteine aus dem Fleisch anderer Tiere. Hier ein Beispiel: Pflanzen sind die Hauptnahrungsquelle von Hasen. Diese wiederum sind Beutetiere, unter anderem für Füchse oder Greifvögel. Während Pflanzen in einem Ökosystem als Produzenten definiert sind, weil sie mittels Fotosynthese anorganische Substanzen (Wasser, Kohlenstoffdioxid) in organische (Glucose) umwandeln, bezeichnet man die nachfolgenden Glieder der Nahrungskette als Konsumenten. Sie fressen bzw. konsumieren organisches Material (Pflanzen, Tiere).

  • Ammonifikation: Der Stickstoff, der nun von den Lebewesen als Nahrung aufgenommen wurde, wird in Form von Urin, Kot sowie toten Tieren und Pflanzen dem Boden zurückgeführt. Dazu zerkleinern Detrivoren wie Würmer und Asseln tote und verwesende Materie. Im Anschluss wandeln Zersetzer (Destruenten), wie Pilze und Bakterien, den Stickstoff aus organischen Verbindungen in Ammoniak um. Ammoniak kann dann wieder von nitrifizierenden Bakterien in Nitrat umgewandelt werden.

  • Denitrifizierung: Dies ist der letzte Schritt im Stickstoffkreislauf. Hierbei wandeln denitrifizierende Bakterien unter Ausschluss von Sauerstoff, man spricht auch von anaeroben Bedingungen, Nitrate in molekularen Stickstoff um. Dieser wird wieder der Luft zugeführt und der Kreislauf schließt sich.

Der Stickstoffkreislauf am Beispiel Wald

Wie wir gerade gelernt haben, arbeiten Produzenten, Konsumenten und Destruenten in einem Ökosystem immer zusammen. So erfüllen sie auch im Stickstoffkreislauf spezifische Aufgaben. Wie diese im Ökosystem eines Sees aussehen können und wer sich dort hinter den Produzenten, Konsumenten und Destruenten verbirgt, wollen wir uns nun anschauen.

Der Stickstoffkreislauf eines Sees

In einem See gehören Wasserpflanzen, Plankton und Algen zu den Produzenten. Sie sind zur Fotosynthese fähig und bauen so Biomasse auf. Molekularer Stickstoff kann sich zum Teil über Diffusion im Wasser lösen. Aber auch in Seen können Produzenten den Stickstoff nur in Form von Ammonium (Ammoniak protoniert im Wasser zu Ammonium) oder Nitrit bzw. Nitrat aufnehmen. Hier kommen die Cyanobakterien, früher als Blaualgen bezeichnet, ins Spiel. Sie führen die Reaktion der Stickstofffixierung durch und produzieren Ammonium. Auch in Seen gibt es bestimmte Bakterien, die Ammonium zu Nitrit bzw. Nitrat umwandeln und so für die Pflanzen verfügbar machen. Typische Konsumenten in Seen sind natürlich Fische und Wasservögel, aber auch andere Kleintiere wie Krebse. Sterben Pflanzen und Tiere ab, werden sie von Destruenten wie Bakterien und Würmern zersetzt. Am Ende wird dem Stoffkreislauf Ammonium zurückgeführt. Die Ammonifikation verbraucht Sauerstoff – hier lauert die Gefahr für das Ökosystem See!

Störung des Stickstoffkreislaufs
Gibt es in einem See zu viele Fische, Pflanzen oder Algen, so resultiert das in einer Anhäufung von Biomasse. In der Folge wird vermehrt tote Biomasse von Destruenten zersetzt. Wie wir gerade gelernt haben, geht die Zersetzung durch Ammonifikation mit einem Verbrauch von Sauerstoff einher. Bei einer hohen Ammonifikation wird also viel Sauerstoff verbraucht. Hast du an einem See schon einmal beobachtet, wie Fische an der Wasseroberfläche nach Luft schnappen? Das ist ein deutliches Zeichen für Sauerstoffarmut in dem Gewässer.
Aber es passiert noch etwas anderes: Je mehr Ammonium freigesetzt wird, desto mehr steigt der pH-Wert. Ab einem pH-Wert von 8,5 wird es für Fische lebensbedrohlich.

Transkript Der Stickstoffkreislauf

Stickstoff ist ein wichtiger Bestandteil von Proteinen und DNA. Ohne Stickstoff könnte das Leben, wie wir es kennen, nicht existieren. Er ist überall in der Luft, aber Pflanzen und Tiere können Stickstoff nicht direkt verwenden. Stickstoff wird aus Stickstoff-Gas in andere Stickstoffverbindungen umgewandelt und durch eine Reihe von Schritten in die Umwelt zurückgeführt. Das wird als Stickstoffkreislauf bezeichnet. Der größte Teil des gasförmigen Stickstoffs wird durch stickstofffixierende Bakterien, die im Boden und in den Wurzeln von Hülsenfrüchten wie Erbsen und Bohnen vorkommen, umgewandelt. Diese arbeiten wie winzige Düngemittelfabriken, die Stickstoff in Nitraten binden. So können Pflanzen die Nitrate aus dem Boden aufnehmen und daraus Proteine ​​herstellen. Werden die Pflanzen gegessen, werden die Proteine in der Nahrungskette weitergegeben und versorgen die Tiere mit dem Stickstoff, den sie brauchen. Der Stickstoff in den Lebewesen kehrt wiederum über Urin, Kot sowie tote Tiere und Pflanzen in den Boden zurück. Tote und verwesende Materie wird von Detrivoren – wie Würmern und Asseln – aufgespalten. Und Zersetzer – Pilze und Bakterien – wandeln den in diesen Proteinen und Abfallprodukten eingeschlossenen Stickstoff in Ammoniumverbindungen um. Bestimmte nitrifizierende Bakterien, die auch im Boden vorkommen, wandeln diese wiederum in Nitrate um. Der letzte Schritt im Stickstoffkreislauf wird von einer anderen Gruppe von Bakterien durchgeführt – den denitrifizierenden Bakterien. Diese Bakterien gedeihen in durchnässtem Boden mit wenig oder keinem Sauerstoff und wandeln Bodennitrate wieder in Stickstoff-Gas um, das in die Luft freigesetzt wird. Der Stickstoffkreislauf ist also ein natürliches Recyclingverfahren, das Stickstoff aufnimmt und in lebenswichtige Verbindungen umwandelt. Diese werden dann von lebenden Organismen verwendet, um organische Verbindungen wie Proteine ​​und DNA aufzubauen. Die Bausteine ​​allen Lebens auf der Erde.

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