Wat zijn de stappen van de stikstofcyclus?
“Iedereen heeft stikstof nodig, maar voor zover het gaat om niet-onderhandelbare, levensondersteunende elementen, is het lastig. Levende wezens hebben stikstof nodig om hun cellen te laten functioneren, en bovendien zitten wij er praktisch middenin, aangezien onze atmosfeer voor 78% uit stikstofgas bestaat. Er zit echter een addertje onder het gras: Het is een “water, water overal, maar geen druppel te drinken” situatie.
Hoewel stikstof in principe overal op de loer ligt, is het niet vreselijk overvloedig in de aardkorst, en het is ongelooflijk moeilijk voor levende wezens om atmosferische stikstof op te vangen en te gebruiken voor hun doeleinden. Het is alsof je een zak vol IJslandse krónur hebt in Minneapolis, waar je het niet kunt uitgeven.
“Stikstof is een belangrijk onderdeel van aminozuren, die de bouwstenen zijn van eiwitten en nucleïnezuren zoals DNA,” zegt Jessie Motes, een Ph.D. kandidaat in de Odum School of Ecology aan de Universiteit van Georgia, in een e-mail. “Naast het feit dat planten stikstof nodig hebben voor eiwitten, is het een hoofdbestanddeel van chlorofyl, waardoor het cruciaal is voor fotosynthese.”
Advertentie
De stikstofcyclus
Omdat stikstof een beperkte hulpbron is op deze planeet, besteedt een stikstofatoom niet veel tijd aan nietsdoen wanneer het in een vorm is die levende wezens kunnen gebruiken – wetenschappers noemen deze stikstof “gefixeerd”. Vaste stikstof wordt opgenomen door planten, die worden gegeten door dieren, die weer andere dieren eten, die sterven en ontbinden en stikstof teruggeven aan het ecosysteem om te worden verwerkt door bacteriën of planten. Dit is de cyclus van een stikstofatoom op aarde, en zijn reis begint ofwel heel stil of met een enorme knal.
Stap 1: Stikstoffixatie
Geloof het of niet, bliksem en bacteriën zijn in de eerste plaats verantwoordelijk voor het omzetten van atmosferische stikstof in stikstof die levende wezens kunnen gebruiken. Atmosferische stikstof (N2) is zeer stabiel, dus kost het ongelooflijk veel energie om het in een andere vorm om te zetten. Als je je ooit hebt afgevraagd waarom je buitenplanten gelukkiger lijken na een regenbui dan wanneer je ze besproeit, dan is daar een reden voor: De bliksem elektriseert atmosferische stikstof (N2) en water (H2O) om ze om te zetten in ammoniak (NH3) en nitraten (NO3). Dit valt op de grond als regen, waar planten het opslurpen en gebruiken voor hun biologische processen.
Aan de andere kant van het spectrum is de meest gebruikelijke manier waarop stikstof beschikbaar wordt gemaakt voor organismen, wanneer atmosferische stikstof wordt gefixeerd door bacteriën, waarvan sommige vrij in de grond leven en andere een symbiotische relatie hebben met bepaalde plantensoorten. Peulvruchten zoals erwten, klaver en pinda’s hebben kleine knobbeltjes op hun wortels die bacteriën aantrekken die hardnekkige stikstof uit de lucht omzetten in ammoniak of ammonium, dat dan kan worden gebruikt om de plant van energie te voorzien.
Stap 2: Nitrificatie
Ammoniak in de bodem kan rechtstreeks door planten worden gebruikt, maar het is ook de eerste stap in het proces van nitrificatie, waarbij gespecialiseerde bacteriën en archaea ammoniak omzetten in nitriet (NO2), en het vervolgens doorgeven aan een geheel andere groep prokaryoten die het nitriet verder oxideren tot nitraat (NO3-). Dit proces verloopt langzaam, maar het is de manier waarop stikstof als voedingsstof wordt opgebouwd in de bodem en in aquatische en mariene milieus – landplanten bijvoorbeeld kunnen ammonium en nitraat opnemen via hun wortelharen. De organismen die zich specialiseren in nitrificatie zijn ook belangrijk bij de zuivering van stedelijk afvalwater.
Stap 3: Ammonificatie
Alles wat leeft sterft uiteindelijk, en de stikstof die een bepaald organisme gebruikte toen het kwaakte, wordt ter hand genomen door bacteriën die het stikstofrijke lijk omzetten in ammonium, dat weer door planten kan worden opgepikt en opnieuw kan worden gebruikt.
Advertentie
Stap 4: Denitrificatie
Het is mogelijk om biobeschikbare stikstof weer om te zetten in stikstof uit de lucht, en dat proces wordt denitrificatie genoemd. Nitrificatie wordt uitgevoerd door bacteriën en archaea die zuurstof kunnen verdragen – niet alle prokaryoten kunnen dat. In het geval van denitrificatie zetten bepaalde anaërobe bacteriën die geen zuurstof nodig hebben, nitraat om in stikstofgas, dat de atmosfeer in zweeft en moeilijk te krijgen is totdat de bliksem of een slimme stikstofbindende bacterie langskomt en het weer in de stikstofkringloop brengt.