N₂ · Stickstoffgas
Zwei Stickstoffatome bilden ein Molekül. N₂ ist der große atmosphärische Stickstoffvorrat. Die meisten Pflanzen und Tiere können es nicht unmittelbar in ihre organischen Stoffe einbauen.
Biologie · Verstehen und üben
Stickstoffkreislauf
Verstehe, wie Stickstoff aus Luft, Boden und Nahrung in Lebewesen gelangt. Unterscheide die wichtigsten Umwandlungen und erkunde, wie Bodenbedingungen und Nährstoffeinträge zusammenhängen.
Das kannst du danach
Stickstoffformen sicher unterscheidenFünf Prozesse im Kreislauf erklärenMögliche Umweltfolgen begründen
Viel Stickstoff in der Luft – und trotzdem ein Nährstoffmangel?
Eine Pflanze braucht Stickstoff, um wichtige Bestandteile ihrer Zellen aufzubauen. Obwohl Luft zu etwa 78 % aus Stickstoffgas besteht, können die meisten Pflanzen dieses Gas nicht direkt als Stickstoffquelle nutzen. Seine beiden Atome sind im Molekül N₂ sehr fest miteinander verbunden.
Pflanzen nehmen Stickstoff über ihre Wurzeln vor allem in Form von Ammonium (NH₄⁺) und Nitrat (NO₃⁻) auf. Zwischen Luftstickstoff, diesen Ionen und organischen Stoffen vermitteln vor allem Mikroorganismen. Genau diese Umwandlungen beschreibt der Stickstoffkreislauf.
Stickstoff ist ein Baustoff, kein Energielieferant für die Pflanze
Stickstoff steckt beispielsweise in Aminosäuren, Proteinen, DNA und RNA. Pflanzen benötigen ihn für ihren Aufbau. Ihre Energie gewinnen sie deshalb aber nicht aus dem „Dünger“ wie aus einer Mahlzeit; für den Aufbau organischer Stoffe nutzen sie bei der Fotosynthese Lichtenergie.
Zum Einstieg helfen die Seiten Ökosystem, Biotop und Biozönose und Kohlenstoffkreislauf.
Die wichtigsten Stickstoffformen sicher unterscheiden
NH₄⁺ · Ammonium
Ein positiv geladenes Ion. Es kann aus dem Abbau organischer Stickstoffverbindungen entstehen und von Pflanzen aufgenommen werden. Ammonium ist nicht dasselbe wie ungeladenes Ammoniak (NH₃).
NO₂⁻ · Nitrit
Ein negativ geladenes Ion mit zwei Sauerstoffatomen. Es ist ein wichtiges Zwischenprodukt der Nitrifikation. Nicht mit Nitrat verwechseln.
NO₃⁻ · Nitrat
Ein negativ geladenes Ion mit drei Sauerstoffatomen. Pflanzen können es als Stickstoffquelle nutzen. Nitrat ist gut wasserlöslich und im Boden häufig vergleichsweise beweglich.
Organisch gebundener Stickstoff
Hier steckt Stickstoff in organischen Verbindungen, etwa in Proteinen oder Nukleinsäuren von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen. Auch tote Reste enthalten solchen Stickstoff.
N₂O · Lachgas
Ein anderes Gas als N₂. Es kann bei mikrobiellen Stickstoffumsetzungen entstehen und wirkt als Treibhausgas. Eine Rückgabe von Stickstoff an die Luft muss daher nicht ausschließlich als N₂ erfolgen.
Fünf Prozesse verbinden die Stickstoffformen
Den Kreislauf erkunden
Wähle einen Prozess. Die zugehörigen Pfeile werden kräftig dargestellt; das Textfeld erklärt ihre Richtung.
Alle Wege sind sichtbar. Die Pfeile zeigen Umwandlungen von Stickstoffformen, keine vollständigen Reaktionsgleichungen.
↔ Schaubild bei Bedarf seitlich verschieben.
- 1 · StickstofffixierungBestimmte Mikroorganismen machen N₂ chemisch nutzbar. Die biologische Fixierung bildet zunächst Ammoniak, das unter vielen Bodenbedingungen überwiegend als Ammonium vorliegt.
- 2 · NitrifikationAmmonium wird zu Nitrit und weiter zu Nitrat oxidiert. Diese mikrobiellen Schritte laufen gewöhnlich unter Nutzung von Sauerstoff ab.
- 3 · AssimilationPflanzen und Mikroorganismen nehmen verfügbaren Stickstoff auf und bauen ihn in organische Stoffe ein. Auch Ammonium kann dafür direkt genutzt werden.
- 4 · AmmonifikationBeim Abbau organischer Stickstoffverbindungen durch Mikroorganismen wird Ammoniak beziehungsweise Ammonium frei.
- 5 · DenitrifikationBei Sauerstoffmangel können bestimmte Mikroorganismen Nitrat über mehrere Zwischenstufen bis zu N₂ reduzieren. Stickstoff gelangt so in die Atmosphäre zurück.
Keine feste Reihenfolge für jedes Atom
Ein Stickstoffatom muss nicht alle fünf Prozesse durchlaufen. Ammonium kann zum Beispiel direkt aufgenommen werden, ohne vorher zu Nitrat zu werden. Ein anderes Atom kehrt durch Denitrifikation zurück in die Luft.
Stickstofffixierung: Wie wird N₂ nutzbar?
Bei der biologischen Stickstofffixierung wird die stabile Bindung im N₂-Molekül mithilfe spezieller Enzyme überwunden. Das kostet Energie. Diese Fähigkeit besitzen bestimmte Bakterien und Archaeen, nicht pauschal alle Mikroorganismen. Auch einige Cyanobakterien können Stickstoff fixieren.
Zusammenarbeit in Wurzelknöllchen
Leguminosen wie Erbsen, Bohnen oder Klee können mit passenden Knöllchenbakterien zusammenleben. Die Bakterien fixieren N₂; die Pflanze erhält nutzbaren Stickstoff. Sie versorgt die Partner unter anderem mit kohlenstoffhaltigen Stoffen. Die Pflanze selbst besitzt dadurch nicht plötzlich das Enzym zur N₂-Fixierung.
Weitere Wege aus der Luft
Beim technischen Haber-Bosch-Verfahren wird aus N₂ und Wasserstoff Ammoniak hergestellt – eine Grundlage vieler Düngemittel. Auch Blitze und Verbrennungsprozesse können zur Bildung von Stickstoffoxiden beitragen, deren Produkte in Ökosysteme gelangen.
„Fixieren“ heißt hier nicht „im Boden festkleben“
Gemeint ist die chemische Umwandlung von Luftstickstoff in reaktivere, biologisch nutzbare Formen. Das unterscheidet die Fixierung sowohl von der Aufnahme durch eine Wurzel als auch von der Nitrifikation.
Ammonifikation und Nitrifikation: zwei verschiedene Vorgänge
Wenn ein Blatt abstirbt, steckt sein Stickstoff zunächst noch in organischen Verbindungen. Zersetzer zerlegen diese Stoffe. Wird organisch gebundener Stickstoff als Ammonium freigesetzt, spricht man von Ammonifikation. Sie ist Teil der Mineralisierung.
Danach kann ein anderer Prozess folgen: Bei der Nitrifikation wird Ammonium erst zu Nitrit und anschließend zu Nitrat oxidiert. Beteiligt sind spezialisierte Mikroorganismen. Ammoniak oxidierende Archaeen und Bakterien sowie Nitrit oxidierende Bakterien spielen dabei wichtige Rollen. Manche Mikroorganismen können beide Oxidationsschritte durchführen.
Organischer N → NH₄⁺
Ammonifikation: organisch gebundener Stickstoff wird mineralisiert.
NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻
Nitrifikation: Stickstoffformen werden oxidiert. Die Pfeile sind Stoffweg-Schemata; Sauerstoff und weitere Reaktionspartner sind nicht mitgezeichnet.
Sauerstoff, Wasser und Temperatur wirken zusammen
Ein gut belüfteter Boden kann Nitrifikation begünstigen. In wassergesättigten Bodenporen gelangt Sauerstoff oft nur langsam nach. Welche Prozesse tatsächlich wie schnell ablaufen, hängt außerdem von Temperatur, pH-Wert, vorhandenen Mikroorganismen und Ausgangsstoffen ab.
Assimilation: Wie kommt Stickstoff ins Nahrungsnetz?
Eine Wurzel kann Ammonium oder Nitrat aufnehmen. Für den Einbau in Aminosäuren muss aufgenommenes Nitrat zunächst innerhalb der Pflanze über Nitrit zu Ammonium reduziert werden. Der Stickstoff wird anschließend in organische Verbindungen eingebaut. Diese Verarbeitung gehört zur Stickstoffassimilation.
Ein Pflanzenfresser erhält Stickstoff, indem er pflanzliche Nahrung aufnimmt. Im Körper werden viele Nahrungsproteine zerlegt; ihre Bausteine können für körpereigene Proteine genutzt werden. Über weitere Nahrungsbeziehungen gelangt Stickstoff zu anderen Konsumenten. Tiere gewinnen ihren Stickstoffbedarf nicht aus dem eingeatmeten N₂.
Ausscheidungen, abgestorbene Körperteile und tote Organismen führen Stickstoff wieder in Abbauwege. Ein Teil wird dabei auch in die Biomasse der Zersetzer eingebaut. Daher führt nicht jeder Abbauschritt sofort zur Freisetzung von Ammonium.
Nitrifikation ist nicht dasselbe wie Assimilation
Bei der Nitrifikation entstehen oxidierte anorganische Stickstoffformen. Bei der Assimilation wird Stickstoff in organische Zellbestandteile eingebaut. Die beiden Vorgänge haben unterschiedliche Ausgangsbedingungen und Funktionen.
Denitrifikation: Der Rückweg in die Atmosphäre
Wenn wenig Sauerstoff vorhanden ist, können bestimmte Mikroorganismen Nitrat als Alternative im Energiestoffwechsel nutzen. Bei der Denitrifikation wird Nitrat schrittweise reduziert; bei vollständigem Ablauf entsteht N₂. Häufig werden dafür zusätzlich organische Stoffe als Elektronendonoren benötigt.
NO₃⁻ → NO₂⁻ → NO → N₂O → N₂
Das ist eine Übersicht der Stickstoffformen, keine ausgeglichene Reaktionsgleichung. Nicht jeder Ablauf geht vollständig bis N₂. Unter bestimmten Bedingungen kann unter anderem N₂O entweichen.
Für den betrachteten Boden bedeutet die Bildung gasförmiger Produkte einen möglichen Verlust an verfügbarem Stickstoff. Für den gesamten Kreislauf ist es eine Verlagerung: Die Stickstoffatome verschwinden nicht.
Vertiefung: Es gibt weitere mikrobielle Wege
Das Fünf-Prozesse-Modell ist bewusst vereinfacht. Beim Anammox-Prozess werden Ammonium und Nitrit unter sauerstofffreien Bedingungen zu N₂ umgesetzt. Andere Reduktionswege können Nitrat wieder in Ammonium überführen. Für den Einstieg müssen diese Zusatzwege nicht auswendig gelernt werden.
Boden-Labor: Welche Veränderung ist plausibel?
Drei Situationen vergleichen
Die Beispiele zeigen mögliche Zusammenhänge. Sie ersetzen keine Messung und simulieren keine realen Stickstoffmengen.
Ausgangssituation
In den Bodenporen steht Sauerstoff zur Verfügung. Ammonium ist vorhanden.
Plausibler Vorgang
Nitrifikation kann unter passenden weiteren Bedingungen ablaufen: NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻.
Aus der Belüftung allein lässt sich keine genaue Umsatzrate berechnen. Temperatur, pH-Wert, Wassergehalt und Mikroorganismen bleiben wichtig.
Düngung und Umwelt: Auf die Menge und den Weg kommt es an
Mit der Ernte wird Stickstoff aus einem Acker abgeführt. Düngung kann einen Bedarf ausgleichen. Wird aber mehr pflanzenverfügbarer Stickstoff eingebracht, als aufgenommen oder gespeichert wird, können Überschüsse entstehen. Zeitpunkt, Form und Menge der Zufuhr sind deshalb entscheidend.
Auswaschung
Nitrat kann mit Wasser in tiefere Bodenschichten und ins Grundwasser gelangen. Ammonium wird an vielen Bodenpartikeln stärker gebunden, ist aber ebenfalls nicht grundsätzlich vor Verlusten geschützt.
Eutrophierung
Zusätzliche Stickstoff- und Phosphorverbindungen können in Gewässern übermäßiges Wachstum fördern. Wird die entstandene Biomasse abgebaut, kann viel Sauerstoff verbraucht werden. Das kann andere Wasserorganismen beeinträchtigen.
Gasförmige Verluste
Je nach Bedingungen kann Ammoniak entweichen; bei mikrobiellen Prozessen kann unter anderem Lachgas entstehen. Nicht alle Verluste erfolgen über das Grundwasser.
Bedarfsgerechtes Handeln
Nährstoffzufuhr und Pflanzenbedarf aufeinander abzustimmen und Einträge in Gewässer zu vermindern, begrenzt vermeidbare Überschüsse. Diese Lernseite erklärt Zusammenhänge und gibt keine konkreten Düngevorgaben.
Nicht jede Algenblüte hat nur eine Ursache
Welche Nährstoffe Wachstum begrenzen, hängt vom Gewässer und weiteren Bedingungen ab. Stickstoff ist ein wichtiger Faktor, aber auch Phosphor, Licht, Temperatur und Durchmischung können entscheidend sein.
12 Aufgaben: verstehen, anwenden und begründen
Löse zuerst selbst. Ein Tipp hilft beim Einstieg; die Lösung zeigt die fachliche Begründung.
1 · Warum können Pflanzen trotz viel N₂ in der Luft Stickstoffmangel haben?
Tipp anzeigen
Chemische Form beachten.
Lösung anzeigen
Die meisten Pflanzen können N₂ nicht direkt assimilieren. Sie benötigen nutzbare Stickstoffformen, vor allem Ammonium und Nitrat, deren Verfügbarkeit begrenzt sein kann.
2 · Was unterscheidet Nitrit und Nitrat?
Tipp anzeigen
Formeln lesen.
Lösung anzeigen
Nitrit ist NO₂⁻, Nitrat NO₃⁻. Beide sind negativ geladene Ionen, enthalten aber unterschiedlich viele Sauerstoffatome.
3 · Ordne NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ einem Prozess zu.
Tipp anzeigen
Es entstehen stärker oxidierte Formen.
Lösung anzeigen
Das ist Nitrifikation. Sie wird von spezialisierten Mikroorganismen durchgeführt und benötigt gewöhnlich Sauerstoff.
4 · Ein Pilz baut stickstoffhaltige Reste ab; Ammonium wird frei. Wie heißt der Prozess?
Tipp anzeigen
Organischer Stickstoff wird mineralisiert.
Lösung anzeigen
Ammonifikation. Sie unterscheidet sich von der Nitrifikation, bei der Ammonium weiter oxidiert wird.
5 · Muss Ammonium erst zu Nitrat werden, bevor Pflanzen es nutzen können?
Tipp anzeigen
Im Kreislauf beide Aufnahmepfeile ansehen.
Lösung anzeigen
Nein. Viele Pflanzen können Ammonium direkt aufnehmen und assimilieren. Nitrat ist eine weitere wichtige Stickstoffquelle.
6 · Fixiert eine Erbsenpflanze selbst N₂?
Tipp anzeigen
Die Partner im Wurzelknöllchen unterscheiden.
Lösung anzeigen
Die N₂-Fixierung leisten passende symbiotische Bakterien. Die Pflanze erhält nutzbaren Stickstoff und versorgt die Mikroorganismen unter anderem mit kohlenstoffhaltigen Stoffen.
7 · Warum ist Tieratmung kein Weg zur Deckung des Stickstoffbedarfs?
Tipp anzeigen
N₂ in der Luft und N in Nahrung unterscheiden.
Lösung anzeigen
Tiere können eingeatmetes N₂ nicht unmittelbar für ihre Proteine nutzen. Den nötigen Stickstoff erhalten sie aus stickstoffhaltigen Nahrungsbestandteilen.
8 · Welche Bedingungen können Denitrifikation fördern?
Tipp anzeigen
Sauerstoff und Ausgangsstoffe.
Lösung anzeigen
Geringe Sauerstoffverfügbarkeit sowie vorhandenes Nitrat und geeignete Elektronendonoren, häufig organische Stoffe, können sie begünstigen. Daraus folgt keine feste Umsatzrate.
9 · Ist ausgewaschenes Nitrat bereits zu N₂ geworden?
Tipp anzeigen
Transport und Reaktion unterscheiden.
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Nein. Auswaschung verlagert Nitrat mit Wasser. Denitrifikation ist dagegen eine chemische Umwandlung durch Mikroorganismen.
10 · Warum kann viel Nährstoffeintrag zu Sauerstoffmangel im Gewässer beitragen?
Tipp anzeigen
Erst Wachstum, dann Abbau.
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Zusätzliche Nährstoffe können viel Biomasse entstehen lassen. Deren mikrobieller Abbau verbraucht Sauerstoff; abhängig von den Bedingungen kann ein Mangel entstehen.
11 · Sind N₂ und N₂O dasselbe?
Tipp anzeigen
Sauerstoffatom und Wirkung beachten.
Lösung anzeigen
Nein. N₂ ist Stickstoffgas, N₂O ist Lachgas. Lachgas wirkt als Treibhausgas und kann bei mikrobiellen Stickstoffumsetzungen entweichen.
12 · Beschreibe einen Weg vom toten Blatt zu einem neuen Pflanzenprotein.
Tipp anzeigen
Mit Ammonifikation beginnen.
Lösung anzeigen
Organischer Stickstoff im Blatt → Ammonifikation zu NH₄⁺ → Aufnahme und Assimilation durch eine Pflanze → stickstoffhaltige Bausteine und Proteine. Alternativ kann vorher die Nitrifikation zu Nitrat stattfinden.
Kurzer Begriffscheck
Welcher Prozess führt im Grundmodell von Nitrat zurück zu Luftstickstoff?
Wähle eine Antwort.
Für den Unterricht
Einstieg: „Warum düngen, wenn in der Luft so viel Stickstoff ist?“ Die chemische Form als entscheidenden Unterschied herausarbeiten.
Partnerarbeit: Einen Weg durch das Schaubild beschreiben; die zweite Person nennt bei jedem Pfeil den Prozess.
Transfer: Im Boden-Labor Transport und Umwandlung unterscheiden.
Vertiefung: Verschiedene Bedingungen erklären, unter denen Ammonium, Nitrat oder gasförmige Produkte entstehen können.
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Arbeitsblatt ansehen →Fachliche Vertiefung: OpenStax · Biogeochemical Cycles · US EPA · Nutrient Pollution. Eigene Erklärungen und Schaubilder; Zahlen und Kurven der interaktiven Beispiele sind vereinfachte Unterrichtsmodelle. Klassenstufen und Vertiefung unterscheiden sich nach Bundesland und Schulart.