Arbeitsblatt: Stickstoffkreislauf Ökologie

Der Stickstoffkreislauf Stickstoff ist Baustein von Proteinen (Aminosäuren) und Nukleotiden (DNA/RNA). In der Luft sind ca. 78 Stickstoffgas (N2). N2 ist für Pflanzen jedoch unbrauchbar, weil die 2Dreifachbindung sehr stabil ist. Pflanzen nehmen Stickstoff als Ammonium (NH4) oder Nitrat (NO3-) auf. Stickstoff zirkuliert in Ökosystemen in einem Kreislauf: Er wechselt zwischen Luft, Boden, Wasser und Lebewesen und ändert dabei seine chemische Form. Die meisten dieser Umwandlungen erledigen Bakterien. Der Kreislauf umfasst im Wesentlichen die Teilprozesse Stickstofffixierung, Ammonifikation, Nitrifikation und Denitrifikation: 1) Stickstofffixierung (N2 NH4) Stickstoff-fixierende Bakterien machen aus N2 biologisch verfügbaren Stickstoff. Sie leben freilebend im Boden oder in Symbiose (z. B. Wurzelknöllchen von Hülsenfrüchten wie Bohnen, Erbse, Klee, vgl. Abb.1). Das unmittelbare Produkt ist Ammoniak (NH3), das im Bodenwasser weitgehend zu Ammonium (NH4) protoniert. 2) Ammonifikation (organischer NH4) Destruenten bauen tote Biomasse und Exkremente ab. Dabei wird organisch gebundener Stickstoff in Ammonium (NH4) umgewandelt. So gelangt Stickstoff aus Lebewesen zurück in den Boden. (Tiere und der Mensch scheiden Stickstoffverbindungen unter anderem in der Form von Harnstoff, Ammoniak oder Harnsäure aus.) 3) Nitrifikation (NH4 NO2- NO3-) Nitrifizierende Bakterien oxidieren Ammonium (NH4) in zwei Schritten: zuerst zu Nitrit (NO2-), dann zu Nitrat (NO3-). Das braucht Sauerstoff (findet also in gut durchlüfteten Böden statt). Nitrat ist sehr beweglich im Bodenwasser und kann leicht ausgewaschen werden. 4) Denitrifikation (NO3- N2 N2O) Unter Sauerstoffmangel (anoxisch), z. B. in nassen/verdichteten Böden oder Sedimenten, wandeln denitrifizierende Bakterien Nitrat wieder zu N2 um. Dabei kann auch Lachgas (N2O) entstehen, ein starkes Treibhausgas. So schliesst sich der Kreislauf zurück in die Luft. Abbildung 1: Stickstofffixierung durch Wurzelknöllchensymbiose 1 Ökologie: Stickstoffkreislauf Der Mensch beeinflusst den Stickstoffkreislauf. Bei der Verbrennung fossiler Energieträger entstehen unter anderem Treibhausgase wie z.B. 2O, und Stickoxide (NOx), die zur Luftverschmutzung beitragen. Stickoxide werden mit dem Regen wieder auf Böden als Nitrat abgelagert. Das ist problematisch, weil so zusätzlicher reaktiver Stickstoff in Ökosysteme gelangt. Zusätzlich greift der Mensch durch Düngung ein. Der Einsatz von Düngemitteln in der Landwirtschaft ist eine Grundvoraussetzung für die Bodenfruchtbarkeit und die Versorgung der Pflanzen mit Nährstoffen. Dadurch werden Erträge erhöht. Es kommt jedoch auf das richtige Mass an. Dünger enthält vor allem Ammonium (NH4) und Nitrat (NO3-). Ammonium wird durch Nitrifikation in Nitrat umgewandelt. Nitrat ist sehr mobil: Es löst sich im Bodenwasser und kann mit dem Sickerwasser ins Grundwasser ausgewaschen werden. In der Schweiz gilt für Grundwasser 25 mg/L Nitrat als Grenzwert. Fragen 1. In welcher Form können Pflanzen Stickstoff aufnehmen, und durch welche Bakterien wird Stickstoff in diese aufnehmbaren Formen überführt? 2. Durch welchen Prozess wird Stickstoff aus dem Boden wieder gasförmig in die Luft abgegeben? 3. Warum ist viel Nitrat im Boden problematisch? Zusatzaufgaben a. Warum kann viel Nitrat in Gewässern zu Sauerstoffmangel führen? b. Wer überwacht in der Schweiz die Nitratwerte im Grundwasser? (Name der Institution/des Programms) c. Nenne einen Ort in der Schweiz mit erhöhter Nitratbelastung im Grundwasser. Fragen zum Video 1. Welche Massnahme senkt die Nitratwerte im Grundwasser? 2. Welche Folgen hat eine hohe Nitrataufnahme für den Menschen? 3. Welche übergeordneten Faktoren beeinflussen das Darmkrebsrisiko stärker? Lernziele Stickstoffkreislauf I. Du kannst die vier Teilprozesse Stickstoff-fixierung, Ammonifikation, Nitrifikation und Denitrifikation erklären und kennst die aufnehmbaren Formen für Pflanzen. II. Du kannst erklären, wie der Mensch den Stickstoffkreislauf verändert (z. B. Düngung, Verbrennung fossiler Energieträger) und welche Folgen das hat (Nitrat im Grundwasser). 2 Ökologie: Stickstoffkreislauf 3 Ökologie: Stickstoffkreislauf