Verstehe, wie Stickstoff aus Luft, Boden und Nahrung in Lebewesen gelangt. Unterscheide die wichtigsten Umwandlungen und erkunde, wie Bodenbedingungen und Nährstoffeinträge zusammenhängen.
Drei kurze Aufgaben helfen dir, deinen Startpunkt zu finden. Wenn du unsicher bist, wähle „Weiß ich noch nicht“.
Entscheide ohne Nachschlagen. Pro Aufgabe passt genau eine Antwort.
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 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.
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.
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).
Ein negativ geladenes Ion mit zwei Sauerstoffatomen. Es ist ein wichtiges Zwischenprodukt der Nitrifikation. Nicht mit Nitrat verwechseln.
Ein negativ geladenes Ion mit drei Sauerstoffatomen. Pflanzen können es als Stickstoffquelle nutzen. Nitrat ist gut wasserlöslich und im Boden häufig vergleichsweise beweglich.
Hier steckt Stickstoff in organischen Verbindungen, etwa in Proteinen oder Nukleinsäuren von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen. Auch tote Reste enthalten solchen Stickstoff.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ammonifikation: organisch gebundener Stickstoff wird mineralisiert.
Nitrifikation: Stickstoffformen werden oxidiert. Die Pfeile sind Stoffweg-Schemata; Sauerstoff und weitere Reaktionspartner sind nicht mitgezeichnet.
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.
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.
Bei der Nitrifikation entstehen oxidierte anorganische Stickstoffformen. Bei der Assimilation wird Stickstoff in organische Zellbestandteile eingebaut. Die beiden Vorgänge haben unterschiedliche Ausgangsbedingungen und Funktionen.
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.
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.
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.
Die Beispiele zeigen mögliche Zusammenhänge. Sie ersetzen keine Messung und simulieren keine realen Stickstoffmengen.
In den Bodenporen steht Sauerstoff zur Verfügung. Ammonium ist vorhanden.
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.
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.
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.
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.
Je nach Bedingungen kann Ammoniak entweichen; bei mikrobiellen Prozessen kann unter anderem Lachgas entstehen. Nicht alle Verluste erfolgen über das Grundwasser.
Nährstoffzufuhr und Pflanzenbedarf aufeinander abzustimmen und Einträge in Gewässer zu vermindern, begrenzt vermeidbare Überschüsse. Diese Lernseite erklärt Zusammenhänge und gibt keine konkreten Düngevorgaben.
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.
Selbst ausprobieren
Mit Erklärungen üben oder dein Wissen testen – du entscheidest.
Wähle eine Stufe. Du bekommst zu jeder Antwort eine Rückmeldung und kannst nach einem Tipp erneut antworten. Wähle die passende Antwort. Begründe deine Entscheidung zunächst selbst und vergleiche sie anschließend mit der Erklärung.
Optional: Dein Fortschritt wird nur in diesem Browser gespeichert.
Sie besitzen selbst nicht die dafür nötige Fixierungsfähigkeit
Die chemische Form entscheidet über die Nutzbarkeit; bestimmte Mikroorganismen können N₂ fixieren.
Ammonium und Nitrat
NH₄⁺ und NO₃⁻ sind wichtige pflanzenverfügbare Stickstoffformen.
NO₂⁻
Nitrit enthält zwei, Nitrat drei Sauerstoffatome je Ion.
Ammonifikation
Organisch gebundener Stickstoff wird beim Abbau mineralisiert.
Nitrifikation
Die Stickstoffformen werden durch spezialisierte Mikroorganismen oxidiert.
Einbau von aufgenommenem Stickstoff in organische Zellbestandteile
Assimilation verbindet verfügbare Stickstoffformen mit dem Aufbau von Biomasse.
Passende symbiotische Bakterien
Die Pflanze versorgt ihre Partner unter anderem mit Kohlenstoffverbindungen und erhält nutzbaren Stickstoff.
Nein, es kann direkt assimiliert werden
Der Kreislauf besitzt alternative Wege; nicht jedes Atom durchläuft alle Prozesse.
Nitrifikation
Die übliche Nitrifikation nutzt Sauerstoff; weitere Bedingungen müssen ebenfalls passen.
Denitrifikation
Bestimmte Mikroorganismen können Nitrat unter diesen Bedingungen schrittweise reduzieren.
Auswaschung, also Stofftransport
Der Ortswechsel ist von einer chemischen Umwandlung zu unterscheiden.
Aus stickstoffhaltigen Bestandteilen seiner Nahrung
Nahrungsbestandteile werden zerlegt und ihre Bausteine für den eigenen Aufbau genutzt.
Auch Pflanzenaufnahme oder Auswaschung können Nitrat vermindern
Für die Zuordnung eines Prozesses sind weitere Beobachtungen oder Messungen nötig.
Mehr Biomasse kann entstehen, deren mikrobieller Abbau Sauerstoff verbraucht
Wachstum und späterer Abbau bilden eine mögliche Wirkungskette; weitere Bedingungen beeinflussen sie.
Lachgas enthält Sauerstoff und wirkt als Treibhausgas
Unterschiedliche Zusammensetzungen gehen mit unterschiedlichen Eigenschaften einher.
Sie kann unvollständig verlaufen, sodass unter anderem N₂O entweicht
Mehrere Reduktionsschritte und Bedingungen entscheiden über die entstehenden Produkte.
Es wird in der Pflanze über Nitrit zu Ammonium reduziert
Die Assimilation von Nitrat umfasst dessen Reduktion und den Einbau des Stickstoffs in organische Verbindungen.
Ausgangsstoffe, Temperatur, pH-Wert und Mikroorganismen sind zusätzlich wichtig
Ein Faktor allein legt die tatsächliche Prozessgeschwindigkeit nicht fest.
Bearbeite drei weitere Aufgaben ohne Nachschlagen. Nutze die Rückmeldung, um gezielt weiterzulernen.
Entscheide ohne Nachschlagen. Pro Aufgabe passt genau eine Antwort.
Die Aufgaben sind unterschiedlich. Die Ergebnisse geben dir eine kurze Orientierung zu deinem Lernstand.
Löse zuerst selbst. Ein Tipp hilft beim Einstieg; die Lösung zeigt die fachliche Begründung.
Welcher Prozess führt im Grundmodell von Nitrat zurück zu Luftstickstoff?
Wähle eine Antwort.
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.
Passende Materialien zum Thema „Stickstoffkreislauf“. Wähle aus, was dir beim Üben und Wiederholen hilft.
Diese Materialien ergänzen die Erklärung und unterstützen dich beim Üben und Nachschlagen.
7. Klasse · 8. Klasse · 9. Klasse
Produkt genauer ansehen →
6. Klasse · 7. Klasse · 8. Klasse
Produkt genauer ansehen →Der Themenbereich gehört zum Biologie-Grundwissen der Klassen 5–10. Im Nachschlagewerk kannst du Zusammenhänge mit weiteren Biologiethemen vertiefen.
5. Klasse · 6. Klasse · 7. Klasse · 8. Klasse · 9. Klasse · 10. Klasse
Produkt genauer ansehen →Preise inkl. MwSt. Downloads erhältst du per E-Mail, gedruckte Materialien per Post. Ggf. zzgl. Versandkosten.
