Stoffkreisläufe

Der Austausch findet Aufgrund des Zusammenspiels von Produzenten, Konsumenten und Destruenten statt.

Kohlenstoff, als Grundstoff des Lebens und Stickstoff, als wichtiger Wachstumsfaktor für Produzenten sind zwei der Stoffe, deren Umwandlung und Austausch in Ökosystemen näher beleuchtet werden sollen. Dabei stehen beim Kohlenstoff Aspekte des menschlichen Eingriffs in die Natur im Blickpunkt, beim Stickstoffkreislauf hauptsächlich die Tatsache, dass Stickstoff als N₂ nicht von Pflanzen aufgenommen werden kann.

Kohlenstoffkreislauf

Der Kohlenstoffkreislauf ist hauptsächlich ein Kohlenstoffdioxid (CO₂)-Kreislauf aus vielen Teilschritten:

Assimilation (Aufnahme) von CO₂ durch Pflanzen (Fotosynthese) bzw. Abgabe von Kohlenstoffdioxid (Respiration) und damit Rückführung des von den Pflanzen produzierten Sauerstoffs zu CO₂.

Kohlenstoffkreislauf: Stellen Sie Produzenten und Konsumenten des Kohlenstoffs dar. Wo wird Kohlenstoff gespeichert? Was bringt den Kreislauf ins wanken?

• CO₂ wird aus der Atmosphäre von Pflanzen aufgenommen (Assimilation). Diese produzieren Sauerstoff.
• Sauerstoff wird von Lebewesen, die keine Fotosynthese betreiben, verbraucht (Respiration oder Dissimilation).
• Hierbei wird wieder CO₂ produziert, das in die Atmosphäre gelangt.

Auch der Boden ist am Kohlenstoffkreislauf beteiligt:

• Verbrennung fossiler Brennstoffe (Erdöl, Erdgas, Kohle) Diese bestehen zum größten Teil aus Kohlenstoff (Erdöl: 85–90 % Kohlenstoff; Erdgas: Hauptbestandteil gesättigte Kohlenwasserstoffe, z.B. Methan CH₄). Kohlenstoffdioxid wird frei und zurück in die Atmosphäre transportiert.
• Weitere Kohlenstoff-Speicher im Boden sind Karbonate (CaCO₃, MgCO₃, Kalk); gespeicherter Kohlenstoff in Form von Knochen oder Muscheln.
• organische Abfallstoffe, die durch Zersetzungsvorgänge (auch durch Meeresablagerungen) in den Boden gelangen

Kohlenstoffkreislauf in der Hydrosphäre:

• Zwischen einer Meerestiefe bis zu 75 m Tiefe und der Atmosphäre laufen in beiden Richtungen CO₂-Diffusionsvorgänge ab.
• Phytoplankton assimiliert CO₂, das durch Diffusionsvorgänge ins Wasser gelangt.
• Meerestiere (Fische) nutzen Phytoplankton als Nahrungsquelle, geben mit Exkrementen (Detritus) organisches Material (= Kohlenstoff) ab; dieses wird zersetzt und setzt sich ab.

Die seit der Industrialisierung forcierte Verbrennung der auf Kohlenstoff basierenden fossilen Brennstoffe bringen den Kohlenstoffkreislauf aus dem Gleichgewicht. So kommt es zu einer deutlichen Zunahme von Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre. Viel diskutiert ist dabei das "global warming" und wie Einschränkungen der CO₂-Emission eine gesteigerte Erderwärmung und damit ein Ansteigen des Meeresspiegels verhindern können. Ganz aktuell läuft hierzu die Weltklimakonferenz in Doha.

Stickstoffkreislauf

Neben dem in der Atmosphäre vorkommenden Distickstoff finden sich - für die Produzenten wichtig:

• Ammonium (NH₄⁺ )
• Nitrit (NO₂^- )
• Nitrat (NO₃^- )

und in geringen Mengen

• Lachgas (N₂O)

Was ist Oxidation, was Reduktion?

Distickstoff, wie er in der Atmosphäre vorkommt ist sehr reaktionsträge. Das heißt, die N₂-Form des Stickstoffs ist eigentlich kaum dazu zu bewegen Elektronen abzugeben (=Oxidation) oder welche aufzunehmen (=Reduktion). Betrachtet man die Oxidationszahl des Distickstoffs, so ist diese 0.

In der folgenden Tabelle finden sich alle Stickstoffverbindungn, die in der Natur als Mineralstoffe vorkommen und damit zur Aufnahme durch Produzenten vewertbar sind.

Stickstoff kann biochemisch nur über das Enzym Nitrogenase fixiert werden, welches unter hohem Energieaufwand aus Distickstoff Ammonium herstellt. Das entstandene Ammonium kann von Produzenten aufgenommen und zum Aufbau von Biomasse eingesetzt werden.

Stickstoffkreislauf

Stickstoffkreislauf (terrestrisch)

• Die Atmosphäre besteht aus ca. 80 % Stickstoff. Das Gas N₂ ist aber in dieser Form für Pflanzen und Tiere nicht nutzbar.
• 5–10 % gelangen als NH₄⁺ (Ammonium) und NO₃^- (Nitrat) in den Boden, da sie im Regenwasser oder Feinstaub vorkommen.
• Stickstoff-Fixierung verschiedenster Prokaryoten stellt ein wichtiges Bindeglied zwischen atmosphärischem N₂ und verwertbarem Stickstoff dar (Ammoniak, NH_3, Ox.-Zahl: - III)).
• NH₄ wird von aeroben Bakterien zu Nitrit oder Nitrat oxidiert. Die Nitrifikation stellt den Pflanzen Nitrat/Nitrit zur Verfügung.
• Unter anaeroben Bedingungen wird wieder Sauerstoff gewonnen, indem Nitrat NO₃^- in N₂ zurückverwandelt wird (Denitrifikation).