Was sind die Schritte des Stickstoffkreislaufs?
„Jeder braucht Stickstoff, aber was die nicht verhandelbaren, lebenserhaltenden Elemente angeht, ist es heikel. Lebewesen benötigen Stickstoff, damit ihre Zellen funktionieren können, und außerdem sind wir von diesem Stoff geradezu durchdrungen, da unsere Atmosphäre zu 78 Prozent aus Stickstoffgas besteht. Allerdings gibt es einen Haken: Es ist eine „Wasser, Wasser überall, aber kein Tropfen zu trinken“-Situation.
Obwohl Stickstoff im Grunde überall lauert, ist er in der Erdkruste nicht sonderlich reichlich vorhanden, und es ist für Lebewesen unglaublich schwierig, atmosphärischen Stickstoff einzufangen und für ihre Zwecke zu nutzen. Das ist so, als hätte man in Minneapolis eine Tasche voller isländischer Krónur, die man nicht ausgeben kann.
„Stickstoff ist ein wichtiger Bestandteil von Aminosäuren, den Bausteinen von Proteinen und Nukleinsäuren wie der DNA“, erklärt Jessie Motes, Doktorandin an der Odum School of Ecology der University of Georgia, in einer E-Mail. „
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Der Stickstoffkreislauf
Da Stickstoff eine begrenzte Ressource auf unserem Planeten ist, verbringt ein Stickstoffatom nicht viel Zeit mit Nichtstun, wenn es in einer Form vorliegt, die Lebewesen nutzen können – Wissenschaftler nennen diesen Stickstoff „fixiert“. Fixierter Stickstoff wird von Pflanzen aufgenommen, die von Tieren gefressen werden, die wiederum andere Tiere fressen, die sterben und sich zersetzen und den Stickstoff wieder an das Ökosystem abgeben, um von Bakterien oder Pflanzen verarbeitet zu werden. Das ist der Zyklus eines Stickstoffatoms auf der Erde, und seine Reise beginnt entweder ganz leise oder mit einem gewaltigen Knall.
Schritt 1: Stickstofffixierung
Ob Sie es glauben oder nicht, Blitze und Bakterien sind in erster Linie dafür verantwortlich, dass atmosphärischer Stickstoff in Stickstoff umgewandelt wird, den Lebewesen nutzen können. Atmosphärischer Stickstoff (N2) ist sehr stabil, so dass es eine unglaubliche Menge an Energie erfordert, ihn in eine andere Form umzuwandeln. Wenn Sie sich jemals gefragt haben, warum Ihre Pflanzen im Freien nach einem Regen besser gedeihen, als wenn Sie sie mit dem Rasensprenger besprengen, dann gibt es dafür einen Grund: Blitze elektrisieren atmosphärischen Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) und wandeln sie in Ammoniak (NH3) und Nitrate (NO3) um. Dieser fällt als Regen auf den Boden, wo die Pflanzen ihn aufschlürfen und für ihre biologischen Prozesse nutzen.
Am anderen Ende des Spektrums ist die häufigste Art und Weise, wie Stickstoff für Organismen verfügbar gemacht wird, die Fixierung von Luftstickstoff durch Bakterien, von denen einige frei im Boden leben und andere eine symbiotische Beziehung mit bestimmten Pflanzenarten eingehen. Hülsenfrüchte wie Erbsen, Klee und Erdnüsse haben kleine Knöllchen an ihren Wurzeln, die Bakterien anlocken, die hartnäckigen Luftstickstoff in Ammoniak oder Ammonium umwandeln, das dann zum Antrieb der Pflanze verwendet werden kann.
Schritt 2: Nitrifikation
Ammoniak im Boden kann direkt von den Pflanzen genutzt werden, aber es ist auch der erste Schritt im Prozess der Nitrifikation, bei dem spezialisierte Bakterien und Archaeen Ammoniak in Nitrit (NO2) umwandeln und es dann an eine ganz andere Gruppe von Prokaryoten weitergeben, die das Nitrit weiter zu Nitrat (NO3-) oxidieren. Dieser Prozess ist langsam, aber er ist die Art und Weise, wie Stickstoff als Nährstoff im Boden und in der aquatischen und marinen Umwelt aufgebaut wird – Landpflanzen zum Beispiel können Ammonium und Nitrat über ihre Wurzelhaare aufnehmen. Die Organismen, die sich auf die Nitrifikation spezialisiert haben, sind auch bei der Behandlung von kommunalem Abwasser wichtig.
Schritt 3: Ammonifikation
Alles Lebendige stirbt irgendwann, und der Stickstoff, den ein bestimmter Organismus verbraucht hat, wenn er stirbt, wird von Bakterien aufgenommen, die den stickstoffreichen Kadaver in Ammonium umwandeln, das von Pflanzen wieder aufgenommen und verwendet werden kann.
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Schritt 4: Denitrifikation
Es ist möglich, bioverfügbaren Stickstoff wieder in atmosphärischen Stickstoff umzuwandeln, und dieser Prozess wird Denitrifikation genannt. Die Nitrifikation wird von Bakterien und Archaeen durchgeführt, die Sauerstoff tolerieren können – nicht alle Prokaryoten können das. Bei der Denitrifikation wandeln bestimmte anaerobe Bakterien, die keinen Sauerstoff benötigen, Nitrat in Stickstoffgas um, das in die Atmosphäre aufsteigt und sich dort versteckt, bis ein Blitz oder ein schlaues stickstofffixierendes Bakterium auftaucht und es wieder in den Stickstoffkreislauf einbindet.