Stickstoffkreislauf: Ablauf, Stationen und Bedeutung

Stickstoff ist das häufigste Gas der Luft. Rund 78 Prozent der Atmosphäre bestehen aus N2-Molekülen. Trotzdem können Pflanzen und Tiere diesen Stickstoff nicht direkt nutzen, denn die beiden Atome sind durch eine Dreifachbindung sehr fest verknüpft. Sie reagiert nur unter extremen Bedingungen, etwa bei Blitzen, im Haber-Bosch-Verfahren oder mithilfe bestimmter Bakterien.

Dabei ist Stickstoff für alles Leben unverzichtbar. Er steckt in Aminosäuren und damit in Eiweißen, in den Basen der DNA und im Blattgrün. Pflanzen nehmen ihn als Ammonium oder Nitrat aus dem Boden auf. Tiere und Menschen bekommen ihn, indem sie Pflanzen oder andere Tiere fressen. Fehlt Stickstoff, wachsen Pflanzen schlecht und werden gelblich.

Der Stickstoffkreislauf zeigt, wie der Stoff zwischen Luft, Boden, Wasser und Lebewesen wandert, ohne dass er verloren geht. Die meisten Schritte erledigen Mikroorganismen. Chemisch betrachtet handelt es sich um eine Kette von Redoxreaktionen, in der sich die Oxidationszahl des Stickstoffs zwischen minus 3 und plus 5 bewegt.

Am Anfang steht die Stickstofffixierung. Knöllchenbakterien an den Wurzeln von Erbsen, Klee oder Bohnen und freilebende Bakterien im Boden binden N2 mithilfe des Enzyms Nitrogenase und bilden Ammoniak, der im Wasser als Ammonium NH4+ vorliegt. Die Pflanze liefert den Bakterien Zucker, die Bakterien liefern ihr Stickstoff, eine echte Symbiose. Auch Blitze erzeugen etwas Stickoxid, dessen Reaktionsprodukte als Nitrat mit dem Regen in den Boden gelangen.

Wenn Pflanzen und Tiere sterben, bauen Bakterien und Pilze das Eiweiß ab. Dabei wird Ammonium frei, das nennt man Ammonifikation. Danach folgt die Nitrifikation in zwei Stufen: Nitrosomonas-Bakterien oxidieren Ammonium zu Nitrit NO2-, Nitrobacter-Bakterien oxidieren Nitrit weiter zu Nitrat NO3-. Nitrat ist die Form, die Pflanzen am besten aufnehmen. Sie bauen es in organische Stoffe ein, das nennt man Assimilation.

Den Kreis schließt die Denitrifikation. In staunassen Böden und Gewässern ohne Sauerstoff benutzen bestimmte Bakterien Nitrat statt Sauerstoff zum Atmen und reduzieren es über Zwischenstufen zu elementarem Stickstoff, der in die Luft entweicht. Dabei kann auch Lachgas N2O entstehen, ein starkes Treibhausgas.

Die Teilschritte lassen sich als Gleichungen schreiben. Bei der ersten Nitrifikationsstufe gilt: 2 NH4+ + 3 O2 ergibt 2 NO2- + 4 H+ + 2 H2O. Bei der zweiten Stufe reagiert Nitrit mit Sauerstoff: 2 NO2- + O2 ergibt 2 NO3-. Die Denitrifikation fasst man vereinfacht zusammen: 2 NO3- + 12 H+ + 10 e- ergibt N2 + 6 H2O. Prüfe selbst, dass auf beiden Seiten Atome und Ladungen übereinstimmen.

Entscheidend ist die Oxidationszahl. In N2 ist sie 0, in Ammonium minus 3, in Nitrit plus 3 und in Nitrat plus 5. Die Nitrifikation erhöht sie von minus 3 auf plus 5. Das ist eine Oxidation, die Bakterien gewinnen dabei Energie. Fixierung und Denitrifikation senken die Oxidationszahl. Das sind Reduktionen und benötigen Elektronen aus organischen Stoffen.

Wichtig ist auch der pH-Wert: Die Nitrifikation setzt Wasserstoff-Ionen frei und säuert den Boden etwas an. Landwirte kalken daher regelmäßig. Außerdem laufen alle Schritte nur bei passender Temperatur und Feuchte ab. In kalten oder durchnässten Böden ist die Nitrifikation stark gebremst.

Ein häufiger Fehler ist die Annahme, Pflanzen könnten Stickstoff direkt aus der Luft nehmen, weil die Luft so viel davon enthält. Das können nur bestimmte Bakterien. Pflanzen brauchen gebundenen Stickstoff, also Ammonium oder Nitrat. Hülsenfrüchte sind deshalb stickstoffsammelnde Pflanzen, aber nur wegen ihrer Knöllchenbakterien.

Oft werden auch Nitrifikation und Denitrifikation vertauscht oder mit Nitrat und Nitrit durcheinandergebracht. Merke dir: Nitrifikation führt zu Nitrat und braucht Sauerstoff. Denitrifikation führt von Nitrat zu N2 und läuft ohne Sauerstoff ab. Nitrit NO2- ist nur eine Zwischenstufe und für Menschen und Fische giftig.

Ein dritter Fehler betrifft die Gleichungen. Wer bei der Nitrifikation die H+-Ionen und das Wasser auf der Produktseite vergisst, kommt weder zu ausgeglichenen Atomen noch Ladungen. Rechne darum immer erst die Ladung, dann Sauerstoff und zuletzt Wasserstoff.

Der Mensch greift stark in den Stickstoffkreislauf ein. Das Haber-Bosch-Verfahren stellt Ammoniak aus N2 und H2 her, aus ihm entstehen Dünger. Etwa die Hälfte der Menschheit wird heute mit Nahrung ernährt, die ohne diesen Kunstdünger nicht wachsen würde. Gleichzeitig gelangt viel mehr gebundener Stickstoff in die Umwelt, als die Natur allein bereitstellen würde.

Wird zu viel gedüngt oder fällt Gülle in großen Mengen an, kann das Nitrat von den Pflanzen nicht mehr aufgenommen werden. Es wird mit dem Regen ausgewaschen und gelangt ins Grundwasser, aus dem Trinkwasser gewonnen wird. In Flüssen und Seen fördert überschüssiger Stickstoff Algenwachstum. Sterben die Algen ab, verbraucht ihr Abbau den Sauerstoff, und Fische ersticken. Dieses Umkippen heißt Eutrophierung.

Darum gibt es Düngeverordnungen, Sperrfristen im Winter und Zwischenfrüchte, die Nitrat über die Wintermonate binden. Auch du kannst etwas tun: weniger Fleisch essen verringert den Gülleanfall, im Garten reicht ein Kompost und bedarfsgerechtes Düngen.