Stickstoffkreislauf

Stickstoff (N) ist Bestandteil von Aminosäuren, Proteinen, Nukleinsäuren und Coenzymen. Obwohl die Atmosphäre zu 78 % aus N₂ besteht, können die meisten Organismen den molekularen Stickstoff nicht direkt verwerten – er muss zunächst in pflanzenverfügbare Verbindungen wie Ammonium (NH₄⁺) oder Nitrat (NO₃⁻) umgewandelt werden.

Die N-Fixierung wandelt N₂ in NH₄⁺ um. Drei Wege:

• Biologisch: durch das Enzym Nitrogenase in Bakterien wie Rhizobium (in Wurzelknöllchen von Leguminosen) und freilebenden Cyanobakterien (Anabaena). Reaktion: \( N_2 + 8H^+ + 8e^- + 16ATP \rightarrow 2NH_3 + H_2 + 16ADP + 16P_i \). Energieaufwendig, aber bei Raumtemperatur möglich.
• Atmosphärisch: Blitzeinschläge erzeugen Stickoxide.
• Industriell: Haber-Bosch-Verfahren (450 °C, 200 bar, Eisenkatalysator) für Düngemittel.

In zwei Stufen wird Ammonium über Nitrit zu Nitrat oxidiert:

1. Ammoniumoxidation durch Nitrosomonas: NH₄⁺ + 1,5 O₂ → NO₂⁻ + 2 H⁺ + H₂O.
2. Nitritoxidation durch Nitrobacter: NO₂⁻ + 0,5 O₂ → NO₃⁻.

Beide sind aerobe, chemolithoautotrophe Bakterien, die ihre Energie aus diesen Oxidationen gewinnen. Nitrat ist die wichtigste Stickstoffquelle für Pflanzen.

Pflanzen nehmen NO₃⁻ oder NH₄⁺ über die Wurzeln auf. Nitrat wird durch Nitratreduktase und Nitritreduktase zu NH₄⁺ reduziert und anschließend über Glutamat in Aminosäuren eingebaut. Tiere erhalten Stickstoff über pflanzliche oder tierische Nahrung.

• Ammonifikation: Beim Abbau toter Biomasse durch Destruenten (Bakterien, Pilze) entsteht erneut NH₄⁺.
• Denitrifikation: Unter Sauerstoffmangel reduzieren bestimmte Bakterien (Pseudomonas, Paracoccus) Nitrat schrittweise zu N₂. Damit schließt sich der Kreislauf, der Stickstoff kehrt in die Atmosphäre zurück.

Durch Landwirtschaft (Kunstdünger), Tierhaltung (Gülle) und Verkehr (NO_x) gelangen erhöhte Mengen reaktiven Stickstoffs in Ökosysteme. Folgen sind Eutrophierung von Gewässern, Algenblüten, Sauerstoffmangel im Tiefenwasser und Fischsterben. In Wäldern führt Stickstoffeintrag zur Veränderung der Bodenflora und fördert nitrophile Arten (Brennnessel, Holunder). Atmosphärisches Lachgas (N₂O) ist zudem ein hochwirksames Treibhausgas.

Pflanzen können N₂ nicht direkt nutzen – nur in Symbiose mit Knoll­chen­bakterien indirekt. Nitrifikation und Denitrifikation laufen in entgegen­gesetzte Richtung und werden von verschiedenen Bakteriengruppen ausgeführt.

Zusammenfassung: N₂ → (Fixierung) → NH₄⁺ → (Nitrifikation) → NO₃⁻ → Aufnahme durch Pflanzen → Assimilation → Nahrungskette → Ammonifikation → (Denitrifikation) → N₂.

Abitur-Tipp: Lerne die vier Schlüsselschritte (Fixierung, Nitrifikation, Ammonifikation, Denitrifikation) mit jeweils einem Bakterienbeispiel. Für Eutrophierung den Begriff „Sauerstoffmangel im Tiefenwasser“ parat haben.