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Stickstoffkreislauf – Dünger und Verwertung

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Team Entdeckungsreise
Stickstoffkreislauf – Dünger und Verwertung
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Grundlagen zum Thema Stickstoffkreislauf – Dünger und Verwertung

Inhalt

Was ist der Stickstoffkreislauf? – Chemie

In der Natur findet man das Element Stickstoff ($\ce{N}$) in der Luft, im Wasser und im Boden. In der Erdatmosphäre kommt Stickstoff in molekularer Form ($\ce{N2}$) vor, im Boden häufig in Form von Nitrat ($\ce{NO3-}$). Stickstoff ist wesentlicher Bestandteil in vielen biochemischen Verbindungen, die für uns von essenzieller Bedeutung sind. Beispiele sind die Aminosäuren, aus denen die Proteine aufgebaut sind, und die Nukleinsäuren wie die DNA.
Der Stickstoffkreislauf beschreibt dabei die stetige Wanderung und Umsetzung des Stickstoffs in der Erdatmosphäre, in Gewässern, in Böden und in Biomasse. In diesem Text erklären wir dir, wie der Stickstoffkreislauf funktioniert, und du erfährst, was passiert, wenn durch menschliche Eingriffe – wie etwa der Einsatz von Kunstdünger im Ackerbau – der Kreislauf gestört wird.

Wie funktioniert der Stickstoffkreislauf? – Erklärung

Der natürliche Stickstoffkreislauf wird in vier Schritte unterteilt:

  • Fixierung von Stickstoff
  • Nitrifikation
  • Ammonifikation
  • Denitrifikation

Natürlicher Stickstoffkreislauf: Chemie Erklärung

Fixierung von Stickstoff im Stickstoffkreislauf

Molekularer Stickstoff aus der Luft kann nicht von Pflanzen verwertet werden. Er muss also zunächst so umgewandelt werden, das er für sie verfügbar wird. Im Boden kommen dazu den Stickstoff fixierende Bodenbakterien zum Einsatz. Häufig sind dies sogenannte Knöllchenbakterien, die in Symbiose mit bestimmten Pflanzen wie den Leguminosen leben. Unter Symbiose versteht man, dass beide Lebewesen gegenseitig voneinander profitieren. Die Bakterien liefern den Pflanzen den notwendigen Stickstoff und im Gegenzug erhalten sie wichtige Nährstoffe von der Pflanze.

Bei der Stickstofffixierung wird molekularer Stickstoff ($\ce{N2}$) aus der Luft in Ammoniak ($\ce{NH3}$) und Ammoniumionen ($\ce{NH4+}$) umgewandelt:

$\ce{N2 (aq) + 6H+ (aq) + 6e- + Enzyme -> 2 NH3 (aq) -> NH4+}$

Zusätzlich kann diese Umwandlung auch durch Sonneneinstrahlung oder Blitzschlag in der Atmosphäre stattfinden. Ein kleiner Teil der Ammoniumionen wird von den Pflanzen direkt verwertet. Der größte Teil wird allerdings von weiteren Bodenbakterien zu Nitrat ($\ce{NO3-}$) abgebaut. Dieser Abbauprozess wird dir im folgenden Abschnitt genauer erklärt.

Nitrifikation im Stickstoffkreislauf

Die Umwandlung des größten Teils der Ammoniumionen ($\ce{NH4+}$) wird von nitrifizierenden Bakterien übernommen, die unter Verwendung von Sauerstoff ($\ce{O2}$) zunächst Nitrit ($\ce{NO2-}$) und dann Nitrat ($\ce{NO3-}$) herstellen. Stickstoff wird in diesem Prozess also oxidiert. In dieser Form, als Nitrat ($\ce{NO3-}$), nehmen Pflanzen den Stickstoff bevorzugt auf, um daraus beispielsweise Proteine herzustellen.

$\ce{2NH4+ (aq) + 3 O2 (aq) -> 2 NO2- + 2 H+ (aq) + 2 H2O}$

und

$\ce{2 NO2- (aq) + O2 -> 2 NO3- (aq)}$

Die Nitrifikation findet bevorzugt in sauerstoffreichen Böden oder Gewässern statt. Mensch und Tier nehmen dann über die pflanzliche Nahrung den Stickstoff in Form von essenziellen Aminosäuren und Proteinen auf.

Ammonifikation im Stickstoffkreislauf

Bei der Ammonifikation wird der organisch gebundene Stickstoff sowohl aus der pflanzlichen Biomasse als auch aus den tierischen Ausscheidungen durch Fäulnisbakterien in Ammoniumionen ($\ce{NH4+}$) umgewandelt und so dem Boden wieder zugeführt. Bei diesem Prozess handelt es sich also um eine Reduktion von Stickstoff.

Denitrifikation im Stickstoffkreislauf

Nitrat ($\ce{NO3-}$) wird nicht nur von den Pflanzen verwendet, sondern kann auch durch denitrifizierende Bakterien wieder zu molekularem Stickstoff ($\ce{N2}$) umgewandelt werden, sodass sich der Kreislauf hier schließt.

Bei der Denitrifikation entsteht Distickstoffmonoxid ($\ce{N2O}$) als Zwischenstufe. Es wird auch als Lachgas bezeichnet und zählt zu den Treibhausgasen, das schon in geringen Mengen unserem Klima schadet.

Menschlicher Eingriff durch Dünger – Haber-Bosch-Verfahren

Fritz Haber und Karl Bosch haben zu Beginn des 20. Jahrhunderts ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff entwickelt. Daraus wurde Kunstdünger hergestellt, der unmittelbar von den Pflanzen verwertet werden kann. Wird zu viel künstlich gedüngt, besteht zusätzlich zur Entstehung von Treibhausgas die Gefahr, dass überschüssiges Nitrat zur Verunreinigung des Grundwassers beiträgt.

Stickstoffkreislauf – Zusammenfassung

Der Stickstoffkreislauf unterteilt sich in vier Schritte: Stickstofffixierung, Nitrifikation, Ammonifikation und Denitrifikation. Molekularer Stickstoff ($\ce{N2}$) wird zunächst in Ammoniumionen ($\ce{NH4+}$) und dann in Nitrat ($\ce{NO3-}$) umgewandelt. Das Nitrat ($\ce{NO3-}$) wird von den Pflanzen aufgenommen und über die pflanzliche Nahrung nehmen auch Menschen und Tiere die wertvollen Stickstoffverbindungen wie Aminosäuren und Proteine auf. Über die Exkremente wird der Stickstoff in gebundener Form wieder ausgeschieden. Fäulnisbakterien wandeln ihn in Ammoniumionen ($\ce{NH4+}$) um. Das daraus entstandene Nitrat ($\ce{NO3-}$) kann wieder zu molekularem Stickstoff umgewandelt werden.

In der folgenden Tabelle siehst du nochmals die wichtigsten Reaktionsgleichungen, die im Stickstoffkreislauf eine Rolle spielen.

Stickstoffkreislauf Reaktionen
Stickstofffixierung $\ce{N2 (aq) + 6H+ (aq) + 6e- + Enzyme -> 2 NH3 (aq) -> NH4+}$
Nitrifikation $\ce{2NH4+ (aq) + 3 O2 (aq) -> 2 NO2- + 2 H+ (aq) + 2 H2O}$
und
$\ce{2 NO2- (aq) + O2 -> 2 NO3- (aq)}$
Ammonifikation Über Ammoniak $\ce{NH3}$ werden Ammoniumionen $\ce{NH4+}$ hergestellt.
Denitrifikation
  • Aus Nitrat ($\ce{NO3-}$) wird molekularer Stickstoff ($\ce{N2}$).
  • Als Zwischenstufe entsteht das Treibhausgas Distickstoffmonoxid ($\ce{N2O}$).
  • Auch zum Thema Stickstoffkreislauf haben wir einige interaktive Übungen und Arbeitsblätter vorbereitet. Du kannst dein neu gewonnenes Wissen also direkt testen. Viel Spaß!

    Häufig gestellte Fragen zum Thema Stickstoffkreislauf – Dünger und Verwertung

    Was ist der Stickstoffkreislauf?
    Was ist das Haber-Bosch-Verfahren?

    Transkript Stickstoffkreislauf – Dünger und Verwertung

    Thema dieses Films ist der Stickstoffkreislauf. Alle Lebewesen brauchen Stickstoff. Stickstoff ist elementarer Bestandteil von Aminosäuren, damit von Proteinen und der DNA. 99 Prozent des Stickstoffvorrats auf unserem Planeten befindet sich aber in Gasform in der Erdatmosphäre, wo er für Tiere und Pflanzen nicht verfügbar ist. Weder können Pflanzen ihn über die Blätter aufnehmen, noch kann er von Tieren bei der Atmung verstoffwechselt werden. Daher hat sich die Evolution ein paar Tricks einfallen lassen. Ein kleiner Teil des molekularen Stickstoffs der Luft wird durch die elektrischen Entladungen bei Gewittern zu Stickoxiden. Vermischt mit Regenwasser fallen diese als Salpetersäure, saurer Regen, auf die Erde. So gelangt jährlich circa ein Kilogramm Stickstoff pro Hektar in den Boden. Ein weitaus größerer Teil wird von spezialisierten Bakterien fixiert, das heißt, in Stickstoffverbindungen umgewandelt, die von Pflanzen verarbeitet werden können. In den Gewässern sind dies unter anderem Blaualgen, Cyanobakterien, die den molekularen Stickstoff in Ammonium umwandeln und im Boden zum Beispiel Knöllchenbakterien. Diese Knöllchenbakterien leben in enger Symbiose mit ebenfalls hochspezialisierten Pflanzen, etwa Lupinen und anderen Hülsenfrüchten. Die Pflanze ernährt die Bakterien durch ihre Photosyntheseprodukte. Die Bakterien reduzieren den atmosphärischen Stickstoff zu Ammoniak, das mit dem Wasser des Bodens zu Ammoniumionen reagiert. Dieser Vorgang liefert unter günstigen Bedingungen jährlich bis zu 400 Kilogramm Stickstoff pro Hektar. Ein kleiner Teil dieser Ammoniumionen wird dann von den Pflanzen direkt aufgenommen. Der Rest wird von anderen Bodenbakterien erst zu Nitrit, dann weiter Nitrationen oxidiert. Dieser Vorgang heißt Nitrifikation. Die Nitrationen können von den Wurzeln der Pflanzen aufgenommen und in den Pflanzen zu Aminosäuren und Proteinen umgebaut werden. Die Tiere und auch der Mensch können die lebensnotwendigen, essentiellen Aminosäuren und Proteine nicht selbst synthetisieren. Sie nehmen sie durch pflanzlichen Nahrung auf. Durch tierische Exkremente, die Harnstoff enthalten, und verrottende Pflanzen landet der Stickstoff in Form organischer Verbindungen wieder im Boden. Ein Teil davon wird mikrobiell wieder zu anorganischen Verbindungen zersetzt, die von Pflanzen aufgenommen werden können. Der übrige Teil wird von anderen Mikroorganismen wieder zu molekularem Stickstoff reduziert und landet erneut in der Atmosphäre. Dieser Prozess heißt Denitrifikation. So schließt sich der Kreislauf. Besser gesagt, so würde sich der Kreislauf schließen, wenn nicht der Mensch eingreifen würde. Denn durch den Ackerbau wird dem Stickstoffkreislauf ein Teil der Stickstoffverbindungen in Form von Getreide und Gemüse sowie Futtermittel für die Viehzucht entzogen. Dieser Teil muss ersetzt werden. Eine Möglichkeit des Ersatzes ist die organische Düngung mittels Mist, Jauche, Gülle und Kompost. In sogenannten Brachejahren ist auch der gezielte Anbau von Schmetterlingsblütlern möglich, die in Symbiose mit Knöllchenbakterien zusätzlichen Stickstoff aus der Luft in den Boden transportieren können. Anfang des 20. Jahrhunderts erfanden Fritz Haber und Karl Bosch ein Verfahren, um ohne Mikroorganismen auf technischen Weg aus Stickstoff und Wasserstoff Ammoniak zu synthetisieren. Von diesem Moment an war es möglich, künstliche, mineralische Dünger herzustellen, die von den Pflanzen unmittelbar aufgenommen werden können. Allerdings benötigen Pflanzen nicht nur Stickstoff, sondern auch Phosphate, Kali und wichtige Spurenelemente, die nun ebenfalls dem Mineraldünger zugesetzt werden, in exakt dem Verhältnis, das die Pflanzen brauchen. Denn deren Wachstum wird durch das Nährsalz bestimmt, das, bezogen auf den Bedarf, im geringsten Anteil vorliegt. Der Rest wird nicht aufgenommen und würde, etwa als überschüssige Nitratverbindung, ins Grundwasser gelangen.

    1 Kommentar

    1 Kommentar
    1. Erster xd Nein ist ein super Video hat mich gerettet

      Von Pitblo, vor fast 2 Jahren
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