Stickstoffkreislauf

Grundlage und Bedeutung

Der Stickstoffkreislauf oder Stickstoffzyklus ist die stetige Wanderung und biogeochemische Umwandlung des Bioelements Stickstoff zwischen Atmosphäre, Gewässern, Böden und Biomasse. Er ist lebensnotwendig, weil Stickstoff unter anderem Bestandteil von Aminosäuren und Proteinen, Nukleinsäuren sowie speziellen Lipiden wie Sphingolipiden ist.

In der Atmosphäre befinden sich 10^15 Tonnen Stickstoff, fast ausschließlich als molekularer Stickstoff (N₂). Ein N₂-Molekül besteht aus zwei Stickstoffatomen, die durch eine sehr stabile Dreifachbindung verbunden sind. Deshalb ist N₂ reaktionsträge und kann von Pflanzen und Tieren nicht unmittelbar zum Aufbau lebenswichtiger Stoffe genutzt werden. Nur bestimmte Mikroorganismen und Pflanzen, die mit solchen Mikroorganismen zusammenleben, können Luftstickstoff verwerten. Andere Pflanzen benötigen wasserlösliche Verbindungen wie Ammonium (NH₄⁺), Nitrat (NO₃⁻) oder Harnstoff, die ihnen beispielsweise über Dünger oder Gülle zugeführt werden.

Stickoxide und Ammoniak kommen in der Atmosphäre in wesentlich kleineren Mengen vor. Sie entstehen unter anderem bei Bränden, Blitzschlag, Vulkanismus, in Verbrennungsmotoren, durch Ausscheidungen und bei Fäulnis. Regen kann diese wasserlöslichen Verbindungen auswaschen und dem Kreislauf zuführen; für die Versorgung aller Lebewesen reicht dies jedoch nicht aus.

Im Kreislauf nehmen Organismen Stickstoffverbindungen auf und bauen den Stickstoff in ihre Biomasse ein. Durch Ausscheidungen und nach ihrem Tod gelangt er wieder in die Umwelt. Schätzungen zufolge wurde verfügbarer Stickstoff während der Erdgeschichte durchschnittlich bereits 900- bis 1000-mal in Lebewesen eingebaut und wieder ausgeschieden. Dagegen wurde Luftstickstoff rund 900.000-mal ein- und ausgeatmet, ohne chemisch verändert zu werden.

Fixierung, Nitrifikation und Assimilation

Die Stickstofffixierung ist der erste grundlegende Schritt: Gasförmiger, chemisch inerter Luftstickstoff (N₂) wird in wasserlösliche Verbindungen umgewandelt, die Lebewesen aufnehmen können. Jährlich werden schätzungsweise mehr als 120 Millionen Tonnen Stickstoff fixiert.

Die Fixierung kann abiotisch oder biotisch erfolgen. Abiotisch entstehen wasserlösliche Stickoxide wie Nitrit und Nitrat bei Verbrennungen, Explosionen und Blitzschlag. Technisch wird im Haber-Bosch-Verfahren N₂ zu Ammoniak beziehungsweise zu wasserlöslichen Ammoniumverbindungen reduziert. Diese Produkte sind Bestandteile von Stickstoffdüngern.

Biotische Fixierung leisten bestimmte Prokaryoten. Zu den frei lebenden aeroben Organismen gehören Cyanobakterien und Bakterien der Gattung Azotobacter. Unter anaeroben Bedingungen fixieren unter anderem Clostridium, grüne photosynthetische Bakterien und Methanobacterium Stickstoff. Andere Bakterien leben in Symbiose, also in engem Zusammenleben, mit Pflanzen: Dazu zählen Frankia, Bradyrhizobium und Knöllchenbakterien aus der Familie Rhizobiaceae. Rhizobium lebt beispielsweise mit Schmetterlingsblütengewächsen wie Erbsen, Bohnen, Linsen, Luzerne und Lupinen zusammen. Frankia kommt unter anderem bei Erlen, Sanddorn und Casuarina equisetifolia vor.

Bei der Nitrifikation oxidieren Bakterien Ammoniak in einem zweistufigen, aeroben Prozess, also unter Sauerstoffverbrauch, zunächst zu Nitrit und anschließend zu Nitrat: NH₃ → NO₂⁻ → NO₃⁻. Nitritbakterien wie Nitrosomonas übernehmen den ersten, Nitratbakterien wie Nitrobacter den zweiten Schritt und gewinnen dabei Energie.

Bei der Stickstoffassimilation nehmen Pflanzen und Mikroorganismen anorganisches Ammonium oder Nitrat auf und bilden daraus organische Stoffe wie Proteine und Nukleinsäuren. Pflanzen können NH₄⁺ assimilieren, bevorzugen aber meist NO₃⁻, wobei der Boden nicht angesäuert wird.

Abbau und Rückkehr in die Atmosphäre

Bei der Ammonifikation wird organisch gebundener Stickstoff wieder mineralisiert. Produzenten und Konsumenten liefern durch Ausscheidungen und abgestorbene Biomasse stickstoffhaltiges organisches Material. Destruenten, also Zersetzer wie Pilze und Bakterien, setzen daraus Ammoniak (NH₃) beziehungsweise Ammonium-Ionen (NH₄⁺) frei. Diese anorganischen Mineralstoffe können anschließend erneut von autotrophen Organismen wie Pflanzen genutzt werden.

Fehlt Sauerstoff, herrschen anoxische Bedingungen. Bestimmte Bakterien verwenden dann anstelle von O₂ Nitrat als Oxidationsmittel, um organische Stoffe abzubauen und Energie zu gewinnen. Dabei wird Nitrat zu Nitrit (NO₂⁻) reduziert, das auf manche Organismen giftig wirkt.

Bei der Denitrifikation reduzieren fakultativ anaerobe Bakterien, beispielsweise Arten der Gattungen Pseudomonas, Paracoccus und Flavobacterium, Nitrat oder Nitrit über mehrere Zwischenstufen zu elementarem N₂. Sie nutzen dabei organische Stoffe oder H₂ zur Energiegewinnung. Der gebildete Stickstoff entweicht größtenteils in die Atmosphäre und schließt damit den Kreislauf. Weil Nitrat beziehungsweise Nitrit dabei die Rolle des Oxidationsmittels bei einer Form anaerober Atmung übernimmt, werden diese Prozesse teilweise als Nitratatmung zusammengefasst.

Abläufe in Seen und Fischteichen

In Seen wandeln Destruenten den Stickstoff aus toter Biomasse in der tropholytischen, also abbauenden Schicht in Ammonium um. Unter aeroben Bedingungen oxidieren Bakterien dieses bei der Nitrifikation über Nitrit zu Nitrat. In Wasser reagiert Ammoniak mit Wasser zu Ammonium und Hydroxid-Ionen: NH₃ + H₂O → NH₄⁺ + OH⁻. Dadurch steigt der pH-Wert.

Unter anaeroben Bedingungen können Bakterien Nitrat über Nitrit zu Ammonium reduzieren; dies heißt Nitratammonifikation. Andere Bakterien denitrifizieren Nitrat zu N₂, das in die Atmosphäre gelangt. In der trophogenen, also Biomasse erzeugenden Schicht nimmt Phytoplankton Nitrat und Ammonium auf und baut daraus unter anderem Proteine und Nukleinsäuren. Die neue Biomasse gelangt in die Nahrungskette. Konsumenten geben beim Stoffabbau wieder Ammoniak ab. Einige Cyanobakterien fixieren zusätzlich N₂ zu NH₃; nach ihrem Tod wird auch dieser Stickstoff Teil des Kreislaufs.

In Fischteichen können zu viele Fische, Futter, Laub, Pflanzenreste, Pollen, Gartendünger und zum Nachfüllen verwendetes Zisternenwasser zu viel organisches Material und Stickstoff eintragen. Beim Abbau verbrauchen Mikroorganismen Sauerstoff und setzen Ammonium beziehungsweise giftiges Ammoniak frei. Ab einem pH-Wert von 8,5 ist der Ammoniakanteil für Fische bedrohlich; das pH-Optimum liegt bei 7–8. Unter oxischen Bedingungen oxidieren Nitrosomonas und Nitrobacter die Stoffe zu Nitrat, das für Fische ungefährlich und ein wichtiger Pflanzennährstoff ist.

Teichpflanzen verbrauchen häufig nicht das gesamte Nitrat. Der Überschuss führt zur Überdüngung und zu starkem Algenwachstum. Sterben viele Algen ab, verbraucht ihre Zersetzung besonders nachts viel Sauerstoff. Nach Luft schnappende Fische an der Oberfläche zeigen Sauerstoffmangel an. Im anoxischen Schlamm oder stark belasteten Wasser kann zudem giftiges Nitrit entstehen. Sauerstoff lässt sich durch Umpumpen, Wasserspiele, Bachläufe oder Quellsteine eintragen. Damit bleiben jedoch überschüssige Mineralstoffe erhalten; überschüssiges Nitrat muss etwa durch bakterielle Denitrifikation entfernt werden.

Umweltfolgen und Lage in Deutschland

Im Stickstoffkreislauf werden jährlich insgesamt 250–300 Millionen Tonnen Stickstoff umgesetzt. Das entspricht nur einem Millionstel des atmosphärischen Stickstoffs. Menschliche Emissionen können den Kreislauf jedoch belasten: Bei Verbrennungen, besonders im Kraftfahrzeugverkehr, entstehen gesundheitsgefährdende Stickoxide; Düngemittelproduktion und Tierhaltung setzen Ammoniak frei.

N-O- und N-H-Verbindungen gelangen durch Stickstoffdeposition auf Böden und in Gewässer und können dort Eutrophierung, also Überdüngung, verursachen. Aus überdüngten Böden ausgewaschenes Nitrat belastet das Grundwasser. Stickoxide tragen als Säurebildner außerdem zum „Sauren Regen“ bei.

In Deutschland werden über den Luftweg jährlich durchschnittlich 20 bis 40 Kilogramm Stickstoff je Hektar eingetragen, ungefähr zu gleichen Teilen in reduzierter und oxidierter Form. Hinzu kommt Stickstoffdünger aus der Landwirtschaft. Das Überangebot gefährdet die Biodiversität, weil nitrophile, also stickstoffliebende Arten, Pflanzen verdrängen, die an Stickstoffmangel angepasst sind. Mehr als 70 Prozent der in Deutschland auf der Roten Liste stehenden Gefäßpflanzen sind Stickstoff-Mangelanzeiger.

Am 28. April 2016 übermittelte die EU-Kommission eine Klage gegen Deutschland wegen der Nicht-Einhaltung der Nitrat-Richtlinie an den Europäischen Gerichtshof. In deutschen Gewässern wurden seit Jahren Nitratgrenzwerte überschritten. Nach Einschätzung der EU-Kommission ergriff die Bundesregierung nicht genügend Gegenmaßnahmen; die 2016 diskutierte Düngeverordnung galt als Hinweis darauf.