In diesem Video geht es um den auf unserer Erde existierenden Stickstoffkreislauf. Anders als in meinen vorherigen Videos möchte ich diesmal direkt zu Beginn die relevantesten Inhalte zusammenfassen. Stickstoff zirkuliert in einem globalen Stickstoffkreislauf durch die Biosphäre, also der belebten Umwelt, und durchläuft während des Kreislaufs vier zentrale Schritte. Erstens. Die Fixierung von Luftstickstoff N2 zu Ammoniak NH3 und Ammoniumion NH4+, entweder durch die biologische Fixierung, durch zum Beispiel Bakterien, oder durch abiotische, das heißt unbelebte Prozesse.
Zweitens, die Nitrifikation dieser Moleküle durch Bakterien zu Nitrat, NO3-, drittens die Nitratreduktion durch Pflanzen zu Ammonium und viertens die Denitrifikation des Nitrats zurück zu N2 durch Bakterien. N2 wird in die Atmosphäre freigesetzt und der Kreislauf beginnt von neuem. Stickstoffhaltige Verbindungen machen 5-30% des pflanzlichen Trockengewichts aus.
Bei uns Menschen und anderen Tieren ist der Stickstoffanteil sogar noch höher. Stickstoff befindet sich in unseren Proteinen, es ist Bestandteil der Nukleinsäuren, die das Erbgut enthalten und so weiter. Es wird also bereits jetzt ersichtlich, welch große Bedeutung Stickstoff für uns Menschen und für andere Tiere und Pflanzen hat. Der gesamte Stickstoff der Tierwelt stammt aus den Pflanzen. Nicht nur die Existenz von Stickstoff hat für das Leben auf der Erde also eine entscheidende Bedeutung, sondern natürlich auch, dass dieser in einem Kreislauf den Pflanzen und damit auch uns Menschen zugänglich gemacht wird.
Woher aber stammt der Stickstoff? Wie ihr sicherlich wisst, besteht das atmosphärische Gasgemisch, das wir einatmen, zum größten Teil aus Stickstoff. Genauer gesagt zu 78%. Trotzdem kann es in seiner elementar vorliegenden Form als N2 von den Pflanzen nicht aufgenommen werden.
Diese können Stickstoff nur abgewandelt entweder als Nitrat, NO3-, oder in Form von Ammoniumion, NH4+, aufnehmen und in Proteine und andere Verbindungen umwandeln. Elementarer Luftstickstoff muss also in für die Pflanzen verfügbare Formen umgewandelt werden. Dies geschieht sowohl über die Stickstofffixierung als auch über den Prozess der Nitrifikation.
Es existieren zwei Wege, über die der Stickstoff im Ökosystem fixiert werden kann. Zum einen über die Bildung von Stickoxiden, zum Beispiel durch Verbrennung, durch Blitzeinschläge oder durch Vulkanismus. Es handelt sich hierbei also um unbelebte, also abiotische Faktoren, wobei diese Stickoxide mit Wassertröpfchen reagieren können und als saurer Regen in den Boden gelangen und zum anderen über die stickstofffixierenden Organismen, die in der Lage sind, den atmosphärischen Stickstoff zu in zwei freie Stickstoffaktome zu spalten, die sich anschließend mit Wasserstoff zu Ammoniak, also NH3, beziehungsweise zu Ammonium NH4+, verbinden. Bekannte Stickstofffixierer sind sogenannte Knöllchenbakterien der Gattung Rhizobium, die in den Wurzeln, beziehungsweise noch konkreter in den Wurzelknöllchen von Hülsenfrüchtlern, sogenannten Leguminosen, symbiontisch mit ihnen leben. Zum einen wird die Pflanze so mit Nährstoffen versorgt, Im Gegenzug erhalten die Bakterien wichtige Kohlenhydrate von der Pflanze.
Ein Zusammenleben, das also für beide Partner von Vorteil ist, was der Begriff Symbiose meint. Neben den Bakterien, die in Symbiose mit anderen Pflanzen leben, existieren auch Bodenbakterien, die Stickstoff fixieren können. Hier ist die Stickstoffquelle nicht die Atmosphäre, sondern Exkremente und totes organisches Material.
Denkt an den hohen Stickstoffanteil, den Tiere haben, und der wird natürlich auch freigesetzt, wenn sie sterben. Die in den Extrementen und totem organischen Material enthaltenen Stickstoffverbindungen bauen die mikrobiellen Destruenten zu Ammoniak um, ein Prozess, der auch als Ammonifikation bezeichnet wird, das anschließend im Boden schnell zu Ammonium umgesetzt wird und damit der Pflanze also zur Verfügung steht. Während die Aufnahme von Ammoniak im Pflanzengewebe toxisch, also giftig wirkt, können Ammoniumionen in geringen Mengen von der Pflanze ohne Schaden aufgenommen werden.
Ein weiterer Teil des Ammoniums wird über den Prozess der Nitrifikation von nitrifizierenden Bakterien zu Nitrit, NO2-, und weiter zu Nitrat, NO3- oxidiert und damit in eine andere, pflanzenverfügbare Form überführt. Nitrat wird gegenüber Ammonium von Pflanzen bevorzugt verwertet. Deshalb auch nur diese gestrichelte Linie von Ammonium zu den Pflanzen.
Um Nitrat nutzen zu können, muss es von der Pflanze wiederum in Ammonium reduziert werden. Dieser Schritt wird als Nitratreduktion bezeichnet und erfolgt durch zwei Schritte. Im Zytoplasma wird Nitrat zu Nitrit, und anschließend in den Plastiden zu Ammoniumionen reduziert.
Mithilfe von Ammoniumionen kann die Pflanze über lebenswichtige Aminomsäuren und daraus wiederum Proteine bilden. Nicht nur von Pflanzen wird das Nitrat genutzt, sondern kann auch von einigen denitrifizierenden Bakterien über den Prozess der Denitrifikation zu molekularem Stickstoff zurückreduziert werden, der anschließend wieder in die Atmosphäre gelangt. Damit schließt sich der Stickstoffkreislauf. Luftstickstoff? kann wiederum über abiotische Prozesse oder über stickstofffixierende Bakterien gebunden werden.
Und der in den Pflanzen gebundene Stickstoff, der natürlich auch in den Pflanzenfressern, die sich von ihnen ernähren, enthalten ist, wird von Destruenten, vor allem Bodenbakterien, dem Boden wieder zugeführt.