Denitrifikation & Nitrifikation: Prozesse im Stickstoffkreislauf

Denitrifikation: Umwandlung von Nitrat zu Stickstoff

Unter Denitrifikation versteht man die Umwandlung des im Nitrat (NO₃⁻) gebundenen Stickstoffs zu molekularem Stickstoff (N₂) und Stickoxiden.

Beteiligte Organismen und Zweck

Dieser Prozess wird von bestimmten heterotrophen und einigen autotrophen Bakterien durchgeführt, die als Denitrifikanten bezeichnet werden. Der Vorgang dient diesen Bakterien zur Energiegewinnung.

Prozess unter anoxischen Bedingungen

Bei Abwesenheit von molekularem Sauerstoff (O₂), also unter anoxischen Bedingungen, werden verschiedene oxidierbare Stoffe (Elektronendonatoren) mit Nitrat als Oxidans (Oxidationsmittel) oxidiert. Zu diesen Elektronendonatoren gehören:

• Organische Stoffe
• Schwefelwasserstoff (H₂S)
• Molekularer Wasserstoff (H₂)

Die Denitrifikation ist somit eine wichtige Form des oxidativen Energiestoffwechsels.

Nitrifikation: Von Ammoniak zu Nitrat

Als Nitrifikation bezeichnet man die bakterielle Oxidation von Ammoniak (NH₃) bzw. Ammonium-Ionen (NH₄⁺) zu Nitrat (NO₃⁻).

Zwei gekoppelte Teilprozesse

Die Nitrifikation besteht aus zwei gekoppelten Teilprozessen:

1. Im ersten Teil wird Ammoniak zu Nitrit oxidiert.
2. Im zweiten Teilprozess wird Nitrit zu Nitrat oxidiert.

Beide Teilprozesse liefern den beteiligten Organismen ausreichend Energie für Wachstum und andere Lebensvorgänge.

Bedeutung im Stickstoffkreislauf

Im Stickstoffkreislauf von Ökosystemen spielt die Nitrifikation eine entscheidende Rolle. Sie überführt das durch Destruenten aus abgestorbener Biomasse freigesetzte Ammoniak wieder in Nitrat. Dadurch entsteht für Pflanzen ein wichtiger stickstoffhaltiger Mineralnährstoff.

Historische Erkenntnisse von Sergei Winogradsky

Sergei Winogradsky erkannte als Erster, dass die Nitrifikation ein konzertierter Prozess ist, an dem unterschiedliche Bakteriengruppen teilnehmen. In seinen klassischen Publikationen zur Nitrifikation beschrieb er nicht nur die Teilprozesse, sondern auch nahezu alle bis heute bekannten Gattungen der beteiligten Bakterien, der sogenannten Nitrifizierer.

Winogradskys Klassifizierung der Nitrifizierer

Winogradsky unterteilte die Nitrifizierer in zwei Hauptgruppen:

• Das Präfix Nitroso- verwendete er als verbindendes Element in der Gattungsbezeichnung für die am ersten Teilprozess beteiligten Organismen.
• Die Gattungen des zweiten Teilprozesses erhielten das Präfix Nitro- im Gattungsnamen.