Der Stickstoffkreislauf

Stickstoff steckt in allen Aminosäuren, Proteinen und Nucleinsäuren. Die Luft besteht zu 78 % aus N₂ — doch die Dreifachbindung macht ihn für fast alle Lebewesen unbrauchbar. Nur Mikroorganismen erschließen ihn und halten den Kreislauf in Gang.

• Stickstoff-Fixierung:nur bestimmte Prokaryoten: Das Enzym Nitrogenase reduziert N₂ unter hohem ATP-Verbrauch zu NH₃, das im Wasser als Ammonium NH₄⁺ vorliegt; Nitrogenase wird durch O₂ gehemmt.
• Fixierer:freilebende Cyanobakterien (in sauerstofffreien Zellen, den Heterocysten) und Knöllchenbakterien (Rhizobium) in den Wurzelknöllchen von Schmetterlingsblütlern wie Klee und Erbse; die Pflanze liefert Kohlenhydrate und hält mit Leghämoglobin O₂ fern.
• Assimilation:Pflanzen (Produzenten) nehmen vor allem Nitrat NO₃⁻, auch NH₄⁺ auf, reduzieren Nitrat zu Ammonium und bauen es in Aminosäuren ein: organisch gebundener Stickstoff.
• Konsumenten:nehmen organisch gebundenen Stickstoff mit der Nahrung auf und scheiden überschüssigen Stickstoff z. B. als Harnstoff aus.
• Ammonifikation:Destruenten (Bakterien, Pilze) bauen Proteine und Nucleinsäuren in toten Lebewesen, Kot und Harnstoff ab; der Stickstoff wird als NH₄⁺ frei (Mineralisierung).
• Nitrifikation:aerob, in zwei Schritten durch verschiedene Bakterien: Nitrosomonas oxidiert NH₄⁺ zu Nitrit NO₂⁻, Nitrobacter oxidiert NO₂⁻ zu NO₃⁻.
• Denitrifikation:bei O₂-Mangel, etwa in staunassen Böden: Bakterien wie Pseudomonas nutzen Nitrat statt O₂ als Elektronenakzeptor ihrer Atmung und reduzieren es zu N₂ (Nebenprodukt N₂O) — Stickstoff kehrt in die Luft zurück.
• Oxidationszahl:gedachte Ladung eines Atoms, hier des N-Atoms: in N₂ 0, in NH₄⁺ und organischen Stoffen −III, in NO₂⁻ +III, in NO₃⁻ +V; steigt sie, wird N oxidiert, sinkt sie, wird N reduziert.

Baue den Stickstoffkreislauf: Lege auf jeden Pfeil den passenden Prozess (violette Felder) und die Lebewesen, die ihn ausführen (grüne Felder). Karte ziehen oder antippen und dann das Feld; mit der Tastatur Enter auf Karte und Feld, 0 legt zurück. Zwei Prozesse und zwei Lebewesen gehören nicht in den Kreislauf.

Halte fest: Im Kreislauf wechselt der Stickstoff zwischen −III (NH₄⁺, organisch gebunden) und +V (NO₃⁻). Die Nitrifikation ist eine Oxidation, die Fixierung, die Nitrat-Assimilation und die Denitrifikation sind Reduktionen; jeder Schritt hängt an bestimmten Mikroorganismen oder an den Produzenten.

Nitrifizierende Bakterien brauchen weder Licht noch organische Nahrung. Sie gewinnen Energie, indem sie Stickstoffverbindungen oxidieren.

• Chemosynthese:Aufbau organischer Stoffe aus CO₂ mit Energie aus der Oxidation anorganischer Stoffe statt aus Licht; die Nitrifizierer sind chemoautotroph.
• Nitrosomonas:NH₄⁺ + 1,5 O₂ → NO₂⁻ + 2 H⁺ + H₂O; ΔG°′ ≈ −270 kJ/mol; N gibt 6 Elektronen ab.
• Nitrobacter:NO₂⁻ + 0,5 O₂ → NO₃⁻; ΔG°′ ≈ −75 kJ/mol; N gibt 2 Elektronen ab.
• Energienutzung:Die Elektronen fließen über eine Atmungskette auf O₂; so entstehen ATP und Reduktionsmittel für die CO₂-Fixierung im Calvin-Zyklus. Wegen der geringen Energieausbeute setzen die Bakterien große Stoffmengen um und wachsen langsam.
• Haber-Bosch-Verfahren:industrielle Fixierung N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃ bei etwa 450 °C und 200 bar; liefert Mineraldünger und hat die Menge an fixiertem Stickstoff etwa verdoppelt.
• Überdüngung:Nicht aufgenommenes Nitrat wird ausgewaschen und belastet das Grundwasser; in Gewässern fördert es Algenwachstum (Eutrophierung), beim Abbau der Algen entsteht O₂-Mangel. Denitrifikation in gedüngten Böden setzt das Treibhausgas N₂O frei.