Der Stickstoff-Kreislauf

Der Stickstoff-Kreislauf

ƒ N: nach Wasser größter limitierender Nährstoff

ƒ Protein, DNA, ATP, ...

ƒ Nur 0.0025% des N ist biologisch verfügbar

ƒ 93% in Boden + Gestein

ƒ 7% als N

in Atmosphäre (enthält: 79% N

)

ƒ N Arten und Oxidationsstufen – Reaktionsfreude:

Bezeichnung Oxidationsstufen

ƒ org. N Aminosäuren, Proteine, Harnstoff -3

ƒ NH

, NH

Ammoniak, Ammonium, -3

ƒ N

H

Hydrazin ( Raketentreibstoff ) -2

ƒ NH

OH Hydroxylamin -1

ƒ N

Stickstoff 0

ƒ N

O Distickstoffoxid (Lachgas) +1

ƒ NO Stickstoffmonoxid +2

ƒ HNO

, NO

Salpetrige Säure, Nitrit-Ion +3

ƒ NO

Stickstoffdioxid +4

ƒ HNO

, NO

Salpetersäure, Nitrat-Ion +5

Nicht- oxidierte N-Formen oxidierte N-

Formen

Stickstoffkreislauf

Legumi- nosen

Denitrifizierende Bakt.

Pseudomonas, Bacillus licheniformis, Paracoccus denitrificans

Destruenten

Bakt. und Pilze)

Zersetzung

Freies N

der Atmosphäre

N

NO

NH

N

O

Nicht- symbiotische Azotobacter, Beijerinckia, Clostridium

Industrielle Fixierung:

Dünger

Nitrosomonas

NO

^-

Nitrobacter

Ammonifikation

NO

Nitrifikation Denitrifikation

Symbionten

Rhizobien Bradyrhizobien

Quellen der Stickstoff-Fixierung aus N ₂

ƒ Blitz-Fixierung - Umwandlung Atmosphärischen Stickstoffs zu Nitrat durch Blitze.

Ozon Blitze

ƒ ^N

+ (O

) Æ NO

ƒ Industrielle Fixierung – Umwandlung des N

zu Ammoniak und Nitrat-Stickstoff (Herstellung von Düngern und Sprengstoffen).

ƒ N

Æ NH

Æ NO

ƒ Fixierung via Fossile Brennstoff-Emissionen

ƒ N

Æ NO

ƒ Biologische Fixierung – Nutzung des atmosphärischen N

durch photosynthetische Blaualgen und Bakterien.

ƒ N

Æ Organ. N

Globale N Fixierung

Tg/Jahr

Synthet.

N-Dünger LW.: Leguminosen und

Gründungungspfl.

Blitze

Freisetzung durch fossile Brennstoffe

Anthro- pogen

Hinter grund Natürliche, bakt. biolog. N-Fixierung

Atmosphärische Fixierung:

Blitze wandeln Stickstoff-Gas und Ozon zu Nitrat um

Stickstoff-Gas: N 2

NO

-

Verbrennung und NO _x – saurer Regen

ƒ Biomasse + O

Î CO

+ oxid.-N {N

O, NO, NO

} + Wasserdampf

ƒ Kfz. Verbrennungsmotoren mit Stickstoff:

ƒ Oxidation erzeugt Î N

O

ƒ Zusätzlicher O

:

ƒ

2 N

O + O

Î 4NO

ƒ Überschuß O

:

ƒ

2NO + O

Æ 2NO

NaOH Reinigung von Industriellen Emissionen minimiert atmosphärische

Emissionen, erzeugt aber gelöstes Nitrat

NaOH Reinigung von Industriellen Emissionen minimiert atmosphärische

Emissionen, erzeugt aber gelöstes Nitrat

Verbrennung fossiler Brennstoffe Æ NO

in Atmosphäre

NO _X

Å NO

in A u fr e ingung

verursachen

sauren Regen

Saurer Regen und Aufreinigung

Saurer Regen durch Industrie-Emissionen: NO und NO

4NO + O

+ 2H

O Æ 4HNO

(salpetrige Sre.)

2HNO

+ O

Æ 2HNO

(Salpeter-Sre.)

2NO

+ H

O Æ 2HNO

Æ Saurer Regen Æ Boden

NaOH Neutralisierung:

HNO

Æ H

+ NO

H

+ NO

+ NaOH Æ NO

+ H

O + Na

Aufreinigung der Industriellen Emissionen:

Eintrag Mill Tonnen pro Jahr

Biologische Fixierung: Land 99 Meere 30 Industrielle Fixierung 40 Atmosphärische Fixierung 7 Niederschlag (naß+trocken) 113 289

Austrag

Denitrifikation: Land 120

Meere 40

Feuer (Volatilisierung) 50 Ammoniak Volatilisierung 75 Industrielle Verbrennung 18 303

d= 14 Tendenz:

N-Überschuss

Zusammenfassung

N Eintrag und N-Austrag in der Atmosphäre

ORGAN.

MASSE RHIZOBIUM

ALFALFA SOJA

BLAUALGEN, GRÜNALGEN AZOTOBACTER CLOSTRIDIUM

PFLANZEN- U.

TIER-RESTE

R-NH2+ ENERGIE + CO2 R-NH2+ H2O

R-OH + ENERGIE + 2NH3 MATERIAL MIT N

GEHALT < 1.5%

(WEIZENSTROH) MATERIAL MIT N

GEHALT > 1.5%

(z.B. Kuhmist )

MIKROBIELLE ZERSETZUNG

HETEROTROPHE AMINIERUNG BAKTERIEN (pH>6.0) PILZE (pH<6.0)

AMMONIFIKATION GLOBALE ERWÄRMUNG

pH>7.0

2NH4++ 2OH^- FIXIERT AN

AUSTAUSCH-

STELLEN +O2

Nitrosomona^s 2NO2

-+ H2O + 4H⁺ IMMOBILISIERUNG

NH3AMMONIAK -3 NH4+AMMONIUM -3 N2MOLEKULARER N 0 OXIDATIONSSTUFEN

ATMOSPHÄRE

N2O NO N2

N2O2- NH3

SYMBIOTISCH Nicht-SYMBIOTISCH

+ O² Nitrobacter DÜNGUNG

BLITZE, REGEN N2 FIXIERER

DENITRIFIKATION PFLAN-

ZEN- VER- LUST

AMINO SÄUREN

NO3- POOL

AMMONIUM VOLATILISIERUNG

NITRIFIKATION NH2OH

Pseudomonas, Bacillus, Thiobacillus Denitrificans,

and T. thioparus MINERALISIERUNG

+ NITRIFIKATION IMMOBILISIERUNG

NO2-

MIKROB.PFLANZL SINK (SENKE)

TEMP 10°C AUSWASCHUNG AUSWASCHUNG DENITRIFIKATION

AUSWASCHUNG

AUSWASCHUNG VOLATILISIERUNG

NITRIFIKATION EINTRÄGE

AUSTRÄGE HABER BOSCH

3H2+ N2 Æ 2NH3 (1200°C, 500 atm) INDUSTR.

FIXIERUNG

N Zyklus

N Reaktionen und Prozesse – WICHTIG !

ƒ Ammonifikation

ƒ Nitrifikation

ƒ Denitrifikation

org. Stickstoff N

Assimilatorische Nitrat-Reduktase

Die wichtigsten Vorgänge

ƒ Ammonifikation Zerfall von N

Æ N anorg. (meist NH

)

ƒ Nitrifikation NH

Æ NO

durch nitrifizierende Bakterien unter aeroben Bedingungen

ƒ Denitrifikation NO

Æ NO

Æ N

O Æ N

durch

denitrifizierende Bakterien unter anaeroben Bedingungen

ƒ N-Immobilisierung Aufnahme von NH

oder NO

durch Mikroorganismen

ƒ N Assimilation Einbau des NO

bzw. NH

durch das GOGAT System

ƒ ^N

Fixierung Reduktion von N

Æ NH

durch symbiont.

Bakterien

= Hauptfluss von N

in den Boden

Anschliessende Reaktion zu NH

im

Boden.

Ammonifikation und Hydrolyse

ƒ Ammonifikation = Entstehung von NH

= bei N – Mineralisierung:

ƒ Desaminierung von Aminosäuren aus Pflanze, Mist, Tierkadaver (org. N)

ƒ Biolog. Zersetzung durch Mikroorganismen Î Carbon-Säure + NH

/ NH

ƒ Hydrolyse = Teilschritt der Umwandlung v. org. N zu NH

durch Bakterien, Pflanzen u. Tiere:

ƒ R-NH

+ H

O Î R-OH + NH

(Protein) Proteasen (organ. C)

ƒ Dazu gehört z.B. auch die Desaminierung von Harnstoff:

O

||

NH

-C-NH

+ H

O Î HCO

+ 2 NH

(Harnstoff) Ureasen

N Assimilation und Aminierung

ƒ Aminierung ⁼ Gegenteilige Reaktion zur Hydrolyse:

Nutzung des NH

durch Bakterien

ƒ NH

+ org. C + O

+ P Î Bakt. Wachstum (Aminosäuren, Proteine,..)

ƒ N Assimilation:

ƒ ( nicht zu verwechseln mit: Æ Ammonifikation)

ƒ Bei der N-Assimilation bauen Pflanzen/Bakterien N , der aus NO

und NH

stammt, in ihre Aminosäuren ein. Sie nutzen hierzu ihr plastidäres GOGAT System.

ƒ NO

+ CO

Æ Æ organ. N Ð

ƒ NH

/NH

+ CO

Æ Æ organ. N

Immobilisierung

ƒ Als Immobilisierung bezeichnet man die bakterielle Aufnahme von NH

ƒ Einbau via Gs/GOGAT – System: Æ NO

Assimilation:

ƒ = Glutaminsynthetase/ Glutamin-2-Oxoglutarat-Amino-Transferase

Biologische Oxidation = Nitrifikation

Nitrobacter

O

NO

Nitrosomonas

NH

NO

O

Nitrifikation genauer

ƒ Nitrifikation = 2 Stufen:

NH

---> NO

---> NO

ƒ 1. Ammoniak-Oxidation: = Nitritation

ƒ

NH

+ 2H

+ 2e

+ O

Î NH

OH + H

O

ƒ

NH

OH + H

O Î + 4H

+ 4e

+ HNO

Ammoniak- Mono-Oxygenase

ƒ

V.a.: Nitrosomonas, Nitrobacter

ƒ

Bakterien benötigen CO

und O

ƒ

Reaktion setzt Protonen frei Î Versauernd

ƒ 2. Nitrit-Oxidation: = Nitratation

ƒ

NO

+ ½ O

→ NO

ƒ

V.a.: Nitrobacter

ƒ

Bakterien nutzen org. C oder CO

;

O

oder andere e

Akzeptoren

Denitrifikation und DNAR

= Abbau von Nitrat:

ƒ 1. Denitrifikation im O

armen Milieu:

Umwelt enthält oxidierten N (=NO

), aber kaum O

Î

ƒ 2NO

+ 5H

+ 2 H

Æ N

+ 6 H

O

ƒ Ca. 5% der Bodenbakterien

ƒ

Benötigen org. C-Quelle,

ƒ

einige nutzen CO

(autotroph)

ƒ 2. DNAR: Dissimilatorische Nitrat zu Ammonium Reduktion (=Veratmung):

ƒ NO

+ 4H

+ 2H

Î NH

+ 3H

O

ƒ Nachfolgend: Æ Einbau des NH

in bakterielle Biomasse Æ N-Assimilation

ƒ WO: Sedimente mit hohem C- Gehalt

Denitrifizierer

Nitrat

(NO

)

N

N

O

Alkalinität HCO

(O

)

Lachgas- Emissionen durch Denitrifikation

ƒ ^N

O Emissionen sind um den Faktor 310 x Klima-schädlicher als CO

ƒ ^{Mittlere N}

O-N-Emissionen: 2,5 % des N-Eintrages

ƒ Messwerte: Scheyern: 2,6 kg N

O-N / ha*a

ƒ

Mineraldünger,

ƒ

Wirtschaftsdünger und

ƒ

Ernterückstände