Was ist die Stickstofffixierung?

Stickstofffixierung ist der Prozess, bei dem bestimmte Bakterien oder Cyanobakterien atmosphärischen Stickstoff (N₂) in eine Form umwandeln, die Pflanzen aufnehmen können. Nur eine begrenzte Anzahl von Organismen ist dazu in der Lage.

Wie gelangt Phosphor ins Meer?

Ein Teil der Phosphate wird durch Oberflächenwasser ausgewaschen und gelangt ins Meer. Dort dient er der Entwicklung von Phytoplankton und den davon abhängigen Nahrungsketten.

Biogeochemische Kreisläufe: Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel im Überblick

Zusammenfassung

Das Dokument erklärt die biogeochemischen Kreisläufe als Austausch chemischer Elemente zwischen Lebewesen und Umwelt. Es behandelt die Kreisläufe von Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel mit ihren wichtigsten Reservoiren und Prozessen wie Photosynthese, Atmung, Stickstofffixierung, Ammonifikation, Nitrifikation und Denitrifikation. Die Lernenden verstehen, wie diese Elemente zwischen Atmosphäre, Boden, Gewässern und Nahrungsketten zirkulieren.

Kernpunkte

Biogeochemische Kreisläufe beschreiben den Austausch chemischer Elemente zwischen Biota und Umwelt.
Kohlenstoff gelangt durch Photosynthese in die organische Substanz und wird durch Atmung, Zersetzung und Verbrennung als CO₂ zurückgegeben.
Atmosphärischer Stickstoff (N₂) wird nur von bestimmten Bakterien und Cyanobakterien durch Stickstofffixierung nutzbar gemacht.
Nitrifizierende Bakterien wandeln Ammoniak in Nitrat um, das Pflanzen aufnehmen können (Assimilation).
Das wichtigste Phosphorreservoir ist das Sedimentgestein der Erdkruste, aus dem Phosphate durch Verwitterung freigesetzt werden.
Schwefel wird beim Zerfall von Organismen als Schwefelwasserstoff freigesetzt und anschließend zu Sulfat umgewandelt, das Pflanzen aufnehmen.

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Biogeochemische Kreisläufe: Grundlagen und Definition

Biogeochemische Kreisläufe beschreiben den Austausch chemischer Elemente zwischen den Organismen (Biota) einer Biozönose und ihrer Umwelt. Diese Kreisläufe sind essenziell für das Leben auf der Erde.

Der Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoff (C) ist das häufigste chemische Element in allen Lebewesen. Er befindet sich in der Atmosphäre (als CO₂), gelöst in Wasser, in Karbonatgestein und in Form fossiler Brennstoffe.

Wichtige Prozesse im Kohlenstoffkreislauf:

Durch die Photosynthese wandeln autotrophe Organismen atmosphärisches CO₂ in organische Substanz um und führen es so der Nahrungskette zu.
Bei der Atmung wird organische Substanz verbraucht und die darin enthaltene Energie freigesetzt, wobei CO₂ entsteht, das in die Atmosphäre zurückgegeben wird.
Kohlenstoff wird in den Boden eingearbeitet, wenn Pflanzen und Tiere absterben.
Bakterien zersetzen diese Reste und setzen dabei CO₂ frei, das in die Atmosphäre gelangt.
Ein Teil der organischen Reste im Boden wird über lange Zeiträume in fossile Brennstoffe (wie Öl) umgewandelt. Bei deren Verbrennung wird CO₂ freigesetzt.
Auch vulkanische Aktivität emittiert CO₂ in die Atmosphäre und Hydrosphäre.

Der Stickstoffkreislauf

Stickstoff (N) ist ein wichtiger Bestandteil von Proteinen und Nukleinsäuren. Er macht fast 78 % der atmosphärischen Gase aus.

Der atmosphärische Stickstoff (N₂) kann nicht direkt von Pflanzen aufgenommen werden, sondern nur von einer begrenzten Anzahl von Organismen, wie bestimmten Bakterien oder Cyanobakterien (Stickstofffixierung).

Prozesse im Boden:

Der Boden wird mit Stickstoff angereichert, wenn Bakterien organische Stoffe zersetzen und diese in Form von Ammoniak freisetzen (Ammonifikation).
Nitrifizierende Bakterien im Boden wandeln Ammoniak in Nitrat um. Pflanzen nehmen dieses Nitrat auf und synthetisieren daraus organische Stickstoffverbindungen, die über die Nahrungskette an Tiere weitergegeben werden (Assimilation).
Stickstoff kehrt als Ammoniak aus dem Kot der Tiere oder durch die Zersetzung ihrer Kadaver in den Boden zurück.
Ein Teil des Stickstoffs gelangt durch die Aktivität denitrifizierender Bakterien (Denitrifikation) wieder direkt in die Atmosphäre.

Der Phosphorkreislauf

Phosphor (P) ist ebenfalls Bestandteil wichtiger Verbindungen, wie zum Beispiel Nukleinsäuren.

Das wichtigste Reservoir ist das Sedimentgestein in der Erdkruste. Hier wird Phosphor in Form von Phosphaten freigesetzt, wenn das Gestein erodiert (Verwitterung).

Diese Phosphate werden von Pflanzen zur Synthese organischer Materie genutzt und gelangen so über die Nahrungskette zu den Tieren.
Die bakterielle Zersetzung von Kadavern gibt Phosphate an den Boden zurück, wo sie erneut von Pflanzen aufgenommen werden können.
Ein Teil der Phosphate wird durch Oberflächenwasser ausgewaschen und gelangt ins Meer. Dort werden sie für die Entwicklung von Phytoplankton und den davon abhängigen marinen Nahrungsketten benötigt.
Der Großteil der marinen Phosphate bildet große Ablagerungen am Meeresboden (Sedimentation).
Nur ein minimaler Teil des marinen Phosphors kehrt über die Exkremente von Seevögeln (Guano) an Land zurück.

Der Schwefelkreislauf

Schwefel (S) ist in Lebewesen in Form von Sulfhydrylgruppen in bestimmten Aminosäuren enthalten.

Beim Tod tierischer oder pflanzlicher Organismen setzen sogenannte Fäulnisbakterien den Schwefel in Form von Schwefelwasserstoff (H₂S) frei.
Dieser Schwefelwasserstoff wird durch chemische Prozesse oder Bakterien zu Sulfat umgewandelt und anschließend vom Boden absorbiert.
Schwefel in Form von löslichem Sulfat wird von Pflanzen aufgenommen und zu Aminosäuren reduziert, um Proteine zu bilden.
Diese Aminosäuren werden an Pflanzenfresser und von diesen an Fleischfresser weitergegeben. Mit dem Tod der Lebewesen schließt sich der Kreislauf"