Nichtoxidierte. N-Formen. oxidierte N- Formen. Der Stickstoff-Kreislauf. Stickstoffkreislauf

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1 Der StickstoffKreislauf N: nach Wasser größter limitierender Nährstoff Protein, DNA, ATP,... Nur % des N ist biologisch verfügbar 93% in Boden Gestein 7% als N 2 in Atmosphäre (enthält: 79% N 2 ) N Arten und xidationsstufen Reaktionsfreude: Bezeichnung xidationsstufen org. N Aminosäuren, Proteine, Harnstoff 3 NH 3, NH 4 Ammoniak, Ammonium, 3 N 2 H 4 Hydrazin (Raketentreibstoff) 2 NH 2 H Hydroxylamin 1 N 2 Stickstoff 0 N 2 Distickstoffoxid (Lachgas) 1 N Stickstoffmonoxid 2 HN 2, N 2 Salpetrige Säure, NitritIon 3 N 2 Stickstoffdioxid 4 HN 3, N 3 Salpetersäure, NitratIon 5 Nichtoxidierte NFormen oxidierte N Formen Stickstoffkreislauf N 2 Zersetzung Freies N 2 der Atmosphäre Leguminosen Nichtsymbiotische Azotobacter, Beijerinckia, Clostridium Industrielle Fixierung: Dünger Denitrifizierende Bakt. Pseudomonas, Bacillus licheniformis, Paracoccus denitrificans N 2 Destruenten (aerobe/ anaerobe Bakt. und Pilze) N 2 NH 3 N 3 Nitrobacter Symbionten Rhizobien Bradyrhizobien Nitrosomonas N 2 Ammonifikation Fixierung Nitrifikation Denitrifikation 1

2 Quellen der StickstoffFixierung aus N 2 BlitzFixierung Umwandlung Atmosphärischen Stickstoffs zu Nitrat durch Blitze. zon Blitze N 2 ( 3 ) N 3 Industrielle Fixierung Umwandlung des N 2 zu Ammoniak und NitratStickstoff (Herstellung von Düngern und Sprengstoffen). N 2 NH 4 N 3 Fixierung via Fossile BrennstoffEmissionen N 2 N x Biologische Fixierung Nutzung des atmosphärischen N 2 durch photosynthetische Blaualgen und Bakterien. N 2 rgan. N Globale N Fixierung Tg/Jahr = Tera = (10 3 ) 4 = = = 1 Billion Freisetzung durch fossile Brennstoffe Anthropogen LW.: Leguminosen und Gründungungspfl. Blitze Synthet. NDünger StickstoffGas: N 2 N 3 Natürliche, bakt. biolog. NFixierung Hinter grund Atmosphärische Fixierung: Blitze wandeln StickstoffGas und zon zu Nitrat um Quelle: Agriculture, the global nitrogen cycle, and trace gas flux. The Biogeochemistry of Global Change: Radiative Trace Gases. R. S. remland. New York, Chapman and Hall:

3 Verbrennung und N x saurer Regen Biomasse 2 C 2 oxid.n {N 2, N, N 2 } Wasserdampf Kfz. Verbrennungsmotoren mit Stickstoff: xidation erzeugt N 2 Zusätzlicher 2 : 2 N 2 2 4N Überschuß 2 : 2N 2 2N 2 N X in Aufreingung NaH Reinigung von Industriellen Emissionen minimiert atmosphärische Emissionen, erzeugt aber gelöstes Nitrat N X Verbrennung fossiler Brennstoffe N x in Atmosphäre Gelöste Stickxide verursachen sauren Regen Saurer Regen und Aufreinigung Saurer Regen durch IndustrieEmissionen: N und N 2 4N 2 2H 2 4HN 2 (salpetrige Sre.) 2HN 2 2 2HN 3 (SalpeterSre.) 2N 2 H 2 2HN 2 Saurer Regen Boden Aufreinigung der Industriellen Emissionen: NaH Neutralisierung: HN H N 3 3 H N 3 NaH N 3 H 2 Na 3

4 Zusammenfassung N Eintrag und NAustrag in der Atmosphäre Eintrag Mill Tonnen pro Jahr Biologische Fixierung: Land 99 Meere 30 Industrielle Fixierung 40 Atmosphärische Fixierung 7 Niederschlag (naßtrocken) Austrag Denitrifikation: Land 120 Meere 40 Feuer (Volatilisierung) 50 Ammoniak Volatilisierung 75 Industrielle Verbrennung 18 d= 14 Tendenz: NÜberschuss 303 N Zyklus ATMSPHÄRE GLBALE ERWÄRMUNG N 2 N N 2 N2 FIXIERER SYMBITISCH RHIZBIUM ALFALFA SJA NichtSYMBITISCH BLAUALGEN, GRÜNALGEN AZTBACTER CLSTRIDIUM INDUSTR. FIXIERUNG HABER BSCH (1200 C, 500 atm) 3H 2 N 2 2NH 3 DÜNGUNG BLITZE, REGEN MATERIAL MIT N GEHALT > 1.5% (z.b. Kuhmist ) PFLANZEN U. TIERRESTE MATERIAL MIT N GEHALT < 1.5% (WEIZENSTRH) 2NH 4 2H FIXIERT AN AUSTAUSCH 2 STELLEN PFLAN ZEN VER LUST AMIN SÄUREN NH 3 NH 2 H RGAN. MASSE MIKRBIELLE ZERSETZUNG IMMBILISIERUNG AMINIERUNG HETERTRPHE RNH 2 ENERGIE C 2 BAKTERIEN (ph>6.0) PILZE (ph<6.0) RNH 2 H 2 AMMNIFIKATIN AMMNIUM VLATILISIERUNG ph>7.0 IMMBILISIERUNG RH ENERGIE 2NH 3 Pseudomonas, Bacillus, Thiobacillus Denitrificans, and T. thioparus XIDATINSSTUFEN NH 3 AMMNIAK 3 NH 4 AMMNIUM 3 N 2 MLEKULARER N 0 N 2 DIStickstoffoxid 1 N StickstoffMonoxid 2 N 2 NITRIT 3 N 3 NITRAT 5 N 2 2 DENITRIFIKATIN DENITRIFIKATIN AUSWASCHUNG AUSWASCHUNG ph 7.0 N 2 N 3 PL AUSWASCHUNG VLATILISIERUNG NITRIFIKATIN TEMP 10 C AUSWASCHUNG MINERALISIERUNG NITRIFIKATIN Auswaschung MIKRB.PFLANZL SINK (SENKE) NITRIFIKATIN Nitrobacter Nitrosomonas 2N 2 H 2 4H 2 EINTRÄGE AUSTRÄGE XIDATINSREAKTINEN REDUKTINSREAKTINEN 4

5 N Reaktionen und Prozesse WICHTIG! org. Stickstoff N Ammonifikation Assimilatorische NitratReduktase Nitrifikation Denitrifikation Die wichtigsten Vorgänge Ammonifikation Zerfall von N org N anorg. (meist NH 4 ) Nitrifikation NH 4 N 3 durch nitrifizierende Bakterien unter aeroben Bedingungen Denitrifikation N 3 N 2 N 2 N 2 durch denitrifizierende Bakterien unter anaeroben Bedingungen NImmobilisierung Aufnahme von NH 4 oder N 3 durch Mikroorganismen N Assimilation Einbau des N 3 bzw. NH 4 durch das GGAT System N 2 Fixierung Reduktion von N 2 NH 3 durch symbiont. Bakterien = Hauptfluss von N 2 in den Boden Anschliessende Reaktion zu NH 4 im Boden. 5

6 Ammonifikation und Hydrolyse Ammonifikation = Entstehung von NH 4 = bei N Mineralisierung: Desaminierung von Aminosäuren aus Pflanze, Mist, Tierkadaver (org. N) Biolog. Zersetzung durch Mikroorganismen CarbonSäure NH 4 / NH 3 Hydrolyse = Teilschritt der Umwandlung v. org. N zu NH 3 durch Bakterien, Pflanzen u. Tiere: RNH 2 H 2 RH NH 3 (Protein) Proteasen (organ. C) Dazu gehört z.b. auch die Desaminierung von Harnstoff: NH 2 CNH 2 H 2 HC 3 2 NH 3 (Harnstoff) Ureasen N Assimilation und Aminierung Aminierung = Gegenteilige Reaktion zur Hydrolyse: Nutzung des NH 3 durch Bakterien NH 3 org. C 2 P Bakt. Wachstum (Aminosäuren, Proteine,..) N Assimilation: (nicht zu verwechseln mit: Ammonifikation) Bei der NAssimilation bauen Pflanzen/Bakterien N, der aus N 3 und NH 3 stammt, in ihre Aminosäuren ein. Sie nutzen hierzu ihr plastidäres GGAT System. N 3 C 2 organ. N NH 4 /NH 3 C 2 organ. N 6

7 Immobilisierung Als Immobilisierung bezeichnet man die bakterielle Aufnahme von NH 4 Einbau via Gs/GGAT System: N 3 Assimilation: = Glutaminsynthetase/ Glutamin2xoglutaratAminoTransferase Biologische xidation = Nitrifikation 2 2 Nitrosomonas NH 4 N 2 Nitrobacter N 3 Nitrifikation genauer Nitrifikation = 2 Stufen: NH 4 > N 2 > N 3 1. Ammoniakxidation: = Nitritation NH 3 2H 2e 2 NH 2 H H 2 NH 2 H H 2 4H 4e HN 2 Ammoniak Monoxygenase V.a.: Nitrosomonas, Nitrobacter Bakterien benötigen C 2 und 2 Reaktion setzt Protonen frei Versauernd 2. Nitritxidation: = Nitratation N 2 ½ 2 N 3 Nitritxidase V.a.: Nitrobacter Bakterien nutzen org. C oder C 2 ; 2 oder andere e Akzeptoren 7

8 Denitrifikation und DNAR = Abbau von Nitrat: 1. Denitrifikation im 2 armen Milieu: Umwelt enthält oxidierten N (=N 3 ), aber kaum 2 2N 3 5H 2 2 H N 2 6 H 2 Nitrat Reduktase ( 2 ) Ca. 5% der Bodenbakterien Benötigen org. CQuelle, einige nutzen C 2 (autotroph) 2. DNAR: Dissimilatorische Nitrat zu Ammonium Reduktion (=Veratmung): N 3 4H 2 2H NH 4 3H 2 Nitrat (N 3 ) Denitrifizierer Nachfolgend: Einbau des NH 4 in bakterielle Biomasse NAssimilation W: Sedimente mit hohem C Gehalt N 2 N 2 Alkalinität HC 3 Lachgas Emissionen durch Denitrifikation N 2 Emissionen sind um den Faktor 310 x Klimaschädlicher als C 2 Mittlere N 2 NEmissionen: 2,5 % des NEintrages Messwerte: Scheyern: 2,6 kg N 2 N / ha*a Mineraldünger, Wirtschaftsdünger und Ernterückstände Lit: Flessa, 2002: in agrarspectrum; Umweltrelevante Spurengase in der Land u. Forstwirtschaft 8