Stickstoff ist ein bedeutender Pflanzennährstoff, der in der Umwelt durch biologische Prozesse auf verschiedenen Wegen in einem natürlichen Kreislauf mehrfach umgewandelt wird. Im Wesentlichen wird reiner Stickstoff aus der Atmosphäre von Mikroorganismen in Stickstoffverbindungen umgewandelt, die von großen Algen, dem Phytoplankton und den Landpflanzen verwertet werden können. Der Kreislauf schließt sich damit, dass die biologisch erzeugten Stickstoffverbindungen wieder in reinen Stickstoff um-
gewandelt werden.
Die Atmosphäre unserer Erde besteht zu 78 Prozent aus
elementarem (also reinem) Stickstoff (N
2), doch können Pflanzen diesen nicht direkt verwerten. Verschiedene Mikroorganismen
sind aber dazu in der Lage, wie im Meer die Cyanobakterien (ehemals als Blaualgen bezeichnet), die zum Phytoplankton gehören, und an Land die Knöllchenbakterien, die in Gesellschaft mit Hülsenfrüchtlern wie etwa Bohnen vorkommen. Sie nehmen den reinen Stickstoff auf und wandeln ihn in Ammoniak (NH
3) beziehungsweise Ammonium-Ionen (NH
4+) um. Dieser Prozess wird als Stickstofffixierung bezeichnet. Das Ammoniak beziehungsweise Ammonium wird dann von anderen Gruppen von Mikroorganismen, insbesondere dem Bakterium Nitrosomonas, in mehreren Schritten in Nitrit-Ionen (NO
2-) und schließlich Nitrat-Ionen
(NO
3-) umgewandelt. Diese Umwandlung wird als Nitrifikation bezeichnet. Diese Ionen können die großen Algen, das Phytoplankton und die Landpflanzen dann direkt verwerten. So bauen sie daraus unter anderem Aminosäuren auf. Sterben sie, wird die tote Biomasse von einer Vielzahl anderer Mikroorganismen ab-
gebaut. Auch die in großen Algen, im Phytoplankton und in den Landpflanzen enthaltenen Stickstoffverbindungen werden von Mikroorganismen vor allem über die sogenannte Ammonifikation abgebaut. Dabei werden die Stickstoffverbindungen in der abgestorbenen Biomasse, wie zum Beispiel die Aminosäuren, von einer großen Zahl verschiedener Mikroorganismen wieder in Ammoniak und Ammonium umgewandelt. Dieses Ammoniak und Ammonium steht den Mikroorganismen, insbesondere Nitrosomonas, dann wieder für die Nitrifikation zur Verfügung. Der Stickstoffkreislauf schließt sich mit einem Abbauprozess, der letztlich auch für die Reinhaltung von Gewässern besonders wichtig ist – der Denitrifikation. Im Wasser enthaltene Nitrat-Ionen (NO
3-) werden dabei von Mikroorganismen (denitrifizierenden Bakterien) direkt in elementaren Stickstoff (N
2) und Stickoxide (NO und
N
2O) umgewandelt. Diese können vom größten Teil des Phytoplanktons und den Landpflanzen nicht mehr als Nährstoffe genutzt werden.
Abb. 2.10 > Stickstoff ist das häufigste Element in der Erdatmosphäre und ein wichtiger Pflanzennährstoff. Stickstoff wird in der Natur in einer Art Kreislauf durch Bakterien und Pflanzen immer wieder chemisch umgewandelt.