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Stickstoffkreislauf

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Pflanzen benötigen eine Reihe anderer Elemente als die, die sie direkt aus der Atmosphäre (Kohlenstoff und Sauerstoff in Form von Kohlendioxid) und aus dem Grundwasser (Wasserstoff und Sauerstoff) gewinnen.

Alle außer einem dieser Elemente stammen aus dem Zerfall von Gesteinen und werden von Pflanzen aus dem Boden eingefangen. Die Ausnahme ist Stickstoff, der darstellt 78% der Erdatmosphäre.

Die Erdoberfläche Felsen Sie sind auch die Hauptquelle für Stickstoff, der indirekt durch die Atmosphäre in den Boden und durch den Boden in die Pflanzen eindringt, die darauf wachsen.

Die meisten Lebewesen sind nicht in der Lage, mit atmosphärischem Stickstoff Proteine ​​und andere organische Substanzen zu synthetisieren. Im Gegensatz zu Kohlenstoff und Sauerstoff ist Stickstoff chemisch sehr unreaktiv und nur mit Sicherheit Bakterien und blaue Algen Sie haben die hochspezialisierte Fähigkeit, Stickstoff aus der Atmosphäre aufzunehmen und in eine Form umzuwandeln, die von Zellen verwendet werden kann. Der nutzbare Stickstoffmangel ist häufig der wichtigste begrenzende Faktor für das Pflanzenwachstum.

Der Vorgang, bei dem Stickstoff durch die Einwirkung lebender Organismen durch Pflanzen und Boden zirkuliert, wird als Stickstoffkreislauf bezeichnet.

Ammonifizierung

Ein Großteil des im Boden vorkommenden Stickstoffs stammt aus toten organischen Materialien, die als komplexe organische Verbindungen wie Proteine, Aminosäuren, Nukleinsäuren und Nukleotide vorliegen. Diese stickstoffhaltigen Verbindungen werden jedoch in der Regel von bodenlebenden Organismen rasch in einfachere Substanzen zerlegt.

Die saprophytische Bakterien und verschiedene Pilzarten sind in erster Linie für den Abbau toter organischer Stoffe verantwortlich. Diese Mikroorganismen nutzen Proteine ​​und Aminosäuren als Quelle für ihre eigenen Proteine ​​und setzen überschüssigen Stickstoff in Form von frei Ammonium (NH 4+). Dieser Vorgang wird aufgerufen Ammonifizierung. Stickstoff kann als Ammoniakgas (NH3) zugeführt werden, doch tritt dieser Vorgang normalerweise nur dann auf, wenn große Mengen stickstoffreicher Materialien zersetzt werden, beispielsweise in einer großen Menge Düngemittel oder Düngemittel. Im Allgemeinen wird Ammoniak produziert Ammoniak im Bodenwasser gelöst, wo es sich mit Protonen verbindet, um das Ammoniumion zu bilden.

Nitrifikation

Verschiedene im Boden vorkommende Bakterienarten können Ammoniak oder Ammonium oxidieren. Ammoniakoxidation, bekannt als Nitrifikationist ein Prozess, der Energie produziert und die freigesetzte Energie von diesen Bakterien zur Reduzierung von Kohlendioxid verwendet wird, genau wie autotrophe Pflanzen Lichtenergie zur Reduzierung von Kohlendioxid verwenden. Solche Organismen sind bekannt als chemosynthetische autotrophe Arzneimittel (Im Gegensatz zu photosynthetischen Autotrophen wie Pflanzen und Algen). Die nitrifizierende Bakterien chemosynthetisch Nitrosomonas und Nitrosococcus Ammoniak zu Nitrit oxidieren (NO2-):

2 NH 3 + 302 --------> 2 NR2- + 2 h+ + 2 h2Die

(Ammoniakgas) (Nitrit)

Nitrit ist giftig für höhere Pflanzen, reichert sich jedoch selten im Boden an. Nitrobacter, Eine andere Bakteriengattung oxidiert Nitrit zu Nitrat (NO3-), wieder mit Energiefreisetzung:

2 NEIN2- + O2 ---------> 2 NR3-

(Nitrit) (Nitrat)

Nitrat ist die Form, in der fast der gesamte Stickstoff aus dem Boden in die Wurzeln gelangt.

Nur wenige Pflanzenarten können tierisches Eiweiß als Stickstoffquelle verwenden. Diese Arten, die die fleischfressende Pflanzen, haben spezielle Anpassungen, um kleine Tiere anzuziehen und zu fangen. Sie verdauen durch Absorption stickstoffhaltiger Verbindungen und anderer organischer und mineralischer Verbindungen wie Kalium und Phosphat. Die meisten fleischfressenden Pflanzen kommen in Sümpfen vor, die im Allgemeinen stark sauer sind und daher das Wachstum nitrifizierender Bakterien beeinträchtigen.

Stickstoffverlust

Wie wir beobachtet haben, kehren die Stickstoffverbindungen von Chlorophyllatpflanzen nach ihrem Tod (oder die Tiere, die sie gefüttert haben) in den Boden zurück und werden von den Bodenorganismen und Mikroorganismen wieder aufbereitet, die von den Wurzeln in Form von im Bodenwasser gelöstem Nitrat absorbiert werden. in organische Verbindungen umgewandelt. Während dieses Zyklus geht immer eine bestimmte Menge Stickstoff "verloren", wodurch dieser für die Anlage unbrauchbar wird.

Eine der Hauptursachen für diesen Stickstoffverlust ist Bodenentfernungsanlagen. Kultivierte Böden weisen häufig einen stetigen Rückgang des Stickstoffgehalts auf. Stickstoff kann auch verloren gehen, wenn der Oberboden durch enthauptet wird Erosion oder wenn seine Oberfläche durch zerstört wird Feuer. Stickstoff wird auch durch entfernt Auslaugen; Nitrate und Nitrite, die Anionen sind, sind besonders anfällig für Wasserauswaschungen durch den Boden. In einigen Böden bauen denitrifizierende Bakterien Nitrate ab und geben Stickstoff an die Luft ab. Dieser Prozess, der die Bakterien mit dem Sauerstoff versorgt, der für die Atmung benötigt wird, ist in Bezug auf den Energiebedarf (dh2 kann schneller als NO reduziert werden3-) und kommt weitgehend nur in sauerstoffarmen Böden vor, dh in Böden, die schlecht entwässert und daher schlecht belüftet sind.

Manchmal steht Pflanzen ein hoher Anteil an Stickstoff im Boden nicht zur Verfügung. Diese Immobilisierung tritt auf, wenn überschüssiger Kohlenstoff vorhanden ist. Bei kohlenstoffreichen, aber stickstoffarmen organischen Stoffen ist Stroh ein gutes Beispiel, wenn sie im Boden reichlich vorhanden sind. Die Mikroorganismen, die diese Stoffe angreifen, benötigen mehr Stickstoff als sie enthalten, um den vorhandenen Kohlenstoff vollständig auszunutzen. Infolgedessen wird nicht nur der im Stroh oder einem ähnlichen Material vorhandene Stickstoff verwendet, sondern auch alle verfügbaren Stickstoffsalze im Boden. Infolgedessen normalisiert sich dieses Ungleichgewicht tendenziell, wenn Kohlenstoff durch mikrobielle Atmung als Kohlendioxid zugeführt wird und das Verhältnis von Stickstoff zu Kohlenstoff im Boden zunimmt.

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Stickstofffixierung

Wie wir sehen können, würde der praktisch lebensspendende Stickstoff auf diesem Planeten endgültig verschwinden, wenn der gesamte vom Boden entfernte Stickstoff nicht ständig nachgefüllt würde. Stickstoff wird im Boden durch wieder aufgefüllt Stickstofffixierung. Die Stickstofffixierung ist der Prozess, durch den Stickstoffgas in der Luft in stickstoffhaltige organische Verbindungen eingebaut und somit in den Stickstoffkreislauf eingeleitet wird. Die Fixierung dieses Gases, die zu einem erheblichen Teil nur von wenigen Bakterien und Blaualgen durchgeführt werden kann, ist ein Prozess, von dem heute alle lebenden Organismen abhängen, so wie sie letztendlich alle von der Photosynthese abhängen Energie gewinnen.

Jedes Jahr werden der Erdoberfläche ein bis zweihundert Millionen Tonnen Stickstoff durch biologische Systeme zugeführt. Der Mensch produziert 28 Millionen Tonnen, von denen die meisten als Düngemittel verwendet werden; Dieses Verfahren ist jedoch hinsichtlich fossiler Brennstoffe mit hohen Energiekosten verbunden. Der gesamte Energiebedarf für die Ammoniumdüngerproduktion wird derzeit auf 2 Millionen Barrel Öl pro Tag geschätzt. Es wird geschätzt, dass die Kosten für die Stickstoffdüngung so hoch sind, dass die Gewinne sinken. Traditionelle Kulturen in Gebieten wie Indien erzielen mit Stickstoffdüngern keine signifikanten Ertragssteigerungen, haben aber einen geringen Stickstoffbedarf. Sie werden jetzt durch „Wundergetreide“ und andere Kulturen ersetzt, die nicht mehr mit Stickstoffdüngung produzieren. - gerade zu einem Zeitpunkt, an dem eine solche Behandlung unerschwinglich wird.

Unter den verschiedenen Klassen von stickstofffixierenden Organismen sind symbiotische Bakterien mit Abstand die wichtigsten in Bezug auf die Gesamtmenge des fixierten Stickstoffs. Die am häufigsten vorkommenden stickstofffixierenden Bakterien sind RhizobiumDies ist eine Bakterienart, die in die Wurzeln von Hülsenfrüchten (Angiospermen der Familie) eindringt Fabaceae oder Leguminosen) wie Klee, Erbsen, Bohnen, Wicken und Luzerne.

Die positiven Auswirkungen von Hülsenfrüchten auf den Boden sind so offensichtlich, dass sie vor Hunderten von Jahren erkannt wurden. Theophrastos, der im dritten Jahrhundert vor Christus lebte, schrieb, dass die Griechen Bohnenkulturen verwendeten, um den Boden anzureichern. Wo Hülsenfrüchte wachsen, kann eine bestimmte Menge an „zusätzlichem“ Stickstoff in den Boden freigesetzt werden, wo er anderen Pflanzen zur Verfügung steht. In der modernen Landwirtschaft ist es üblich, eine nicht leguminöse Ernte wie Mais durch eine Leguminose wie Luzerne zu ersetzen. Die Hülsenfrüchte werden dann für das Heu geerntet, wobei die stickstoffreichen Wurzeln oder besser gesagt, auf dem Feld zurückgepflügt werden. Eine gute Ernte Luzerne, die auf den Boden verlagert wird, kann 450 Kilogramm Stickstoff pro Hektar liefern. Die Anwendung der Spurenelemente Kobalt und Molybdän, die von symbiotischen Bakterien benötigt werden, erhöht die Stickstoffproduktion erheblich, wenn diese Elemente in begrenzten Mengen vorhanden sind, wie in weiten Teilen Australiens.

Frei lebende stickstofffixierende Mikroorganismen

Nicht symbiotische Bakterien der Gattungen Azotobacter und Clostridium sind in der Lage, Stickstoff zu fixieren. Azotobacter ist aerob, wohingegen Clostridium ist anaerobisch; Beides sind im Boden vorkommende saprophytische Bakterien. Sie liefern voraussichtlich etwa 7 Kilogramm Stickstoff pro Hektar Boden und Jahr. Eine weitere wichtige Gruppe umfasst viele photosynthetische Bakterien. Freilebende Blaualgen spielen auch bei der Stickstofffixierung eine wichtige Rolle. Sie sind entscheidend für den Reisanbau, der die Hauptnahrung von mehr als der Hälfte der Weltbevölkerung darstellt. Blaualgen können auch eine wichtige ökologische Rolle bei der Stickstoffbindung in den Ozeanen spielen.

Die Unterscheidung zwischen Stickstofffixierung durch frei lebende und symbiotische Organismen ist möglicherweise nicht so streng wie traditionell angenommen. Einige Mikroben kommen regelmäßig im Boden um die Wurzeln bestimmter kohlenhydratschädigender Pflanzen vor, indem sie diese Verbindungen verbrauchen und gleichzeitig den Pflanzen indirekt Stickstoff zuführen. Symbiotische Assoziationen zwischen normalerweise frei lebenden Bakterien wie z Azotobacterund höhere Pflanzenzellen in Gewebekulturen induzierten ihr Wachstum in einem künstlichen Medium mit Stickstoffmangel.

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Video: Stickstoffkreislauf einfach erklärt - Stoffkreisläufe 1 (Kann 2022).