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Im Ökosystem werden Stoffe ausgetauscht und umgewandelt. Das Ökosystem ist ein für Stoffe geschlossenes System.

Der Austausch findet Aufgrund des Zusammenspiels von Produzenten, Konsumenten und Destruenten statt.

Kohlenstoff, als Grundstoff des Lebens und Stickstoff, als wichtiger Wachstumsfaktor für Produzenten sind zwei der Stoffe, deren Umwandlung und Austausch in Ökosystemen näher beleuchtet werden sollen. Dabei stehen beim Kohlenstoff Aspekte des menschlichen Eingriffs in die Natur im Blickpunkt, beim Stickstoffkreislauf hauptsächlich die Tatsache, dass Stickstoff als N2 nicht von Pflanzen aufgenommen werden kann.

In den inhaltlichen Schwerpunkten für NRW ist nur der Stickstoffkreislauf genannt. Trotzdem - der Vollständigkeit wegen - hier auch der Kohlenstoffkreislauf!

Kohlenstoffkreislauf

Der Kohlenstoffkreislauf ist hauptsächlich ein Kohlenstoffdioxid (CO2)-Kreislauf aus vielen Teilschritten:

Assimilation (Aufnahme) von CO2 durch Pflanzen (Fotosynthese) bzw. Abgabe von Kohlenstoffdioxid (Respiration) und damit Rückführung des von den Pflanzen produzierten Sauerstoffs zu CO2.

Kohlenstoffkreislaufs. Stellen Sie Produzenten und Konsumenten des Kohlenstoffs dar. Wo wird Kohlenstoff gespeichert? Was bringt den Kreislauf ins wanken? Im Wald findet sich ein sehr „kleiner“ Nährstoffkreislauf, indem das auf dem Waldboden gelagerte Laub durch Destruenten abgebaut und mineralisiert wird. Im kommenden Frühjahr stehen diese Mineralstoffe bereits wieder zur „Düngung“ der Bäume zur Verfügung.
Kohlenstoffkreislauf: Stellen Sie Produzenten und Konsumenten des Kohlenstoffs dar. Wo wird Kohlenstoff gespeichert? Was bringt den Kreislauf ins wanken?
  • CO2 wird aus der Atmosphäre von Pflanzen aufgenommen (Assimilation). Diese produzieren Sauerstoff.
  • Sauerstoff wird von Lebewesen, die keine Fotosynthese betreiben, verbraucht (Respiration oder Dissimilation).
  • Hierbei wird wieder CO2 produziert, das in die Atmosphäre gelangt.

Auch der Boden ist am Kohlenstoffkreislauf beteiligt:

  • Verbrennung fossiler Brennstoffe (Erdöl, Erdgas, Kohle) Diese bestehen zum größten Teil aus Kohlenstoff (Erdöl: 85–90 % Kohlenstoff; Erdgas: Hauptbestandteil gesättigte Kohlenwasserstoffe, z.B. Methan CH4). Kohlenstoffdioxid wird frei und zurück in die Atmosphäre transportiert.
  • Weitere Kohlenstoff-Speicher im Boden sind Karbonate (CaCO3, MgCO3, Kalk); gespeicherter Kohlenstoff in Form von Knochen oder Muscheln.
  • organische Abfallstoffe, die durch Zersetzungsvorgänge (auch durch Meeresablagerungen) in den Boden gelangen

Kohlenstoffkreislauf in der Hydrosphäre:

  • Zwischen einer Meerestiefe bis zu 75 m Tiefe und der Atmosphäre laufen in beiden Richtungen CO2-Diffusionsvorgänge ab.
  • Phytoplankton assimiliert CO2, das durch Diffusionsvorgänge ins Wasser gelangt.
  • Meerestiere (Fische) nutzen Phytoplankton als Nahrungsquelle, geben mit Exkrementen (Detritus) organisches Material (= Kohlenstoff) ab; dieses wird zersetzt und setzt sich ab.

Merke

Unter natürlichen Bedingungen ist der Kohlenstoffkreislauf geschlossen, und die Gewinn-Verlust-Bilanz ausgeglichen.

Die seit der Industrialisierung forcierte Verbrennung der auf Kohlenstoff basierenden fossilen Brennstoffe bringen den Kohlenstoffkreislauf aus dem Gleichgewicht. So kommt es zu einer deutlichen Zunahme von Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre. Viel diskutiert ist dabei das "global warming" und wie Einschränkungen der CO2-Emission eine gesteigerte Erderwärmung und damit ein Ansteigen des Meeresspiegels verhindern können. Ganz aktuell läuft hierzu die Weltklimakonferenz in Doha.

Stickstoffkreislauf

Da der biogeochemische Kreislauf des Stickstoffs in den Themenschwerpunkten von NRW explizit erwähnt wird, anbei ein kleiner Ausflug in die Chemie.

Neben dem in der Atmosphäre vorkommenden Distickstoff finden sich - für die Produzenten wichtig:

und in geringen Mengen

  • Lachgas (N2O)

Was ist Oxidation, was Reduktion?

Distickstoff, wie er in der Atmosphäre vorkommt ist sehr reaktionsträge. Das heißt, die N2-Form des Stickstoffs ist eigentlich kaum dazu zu bewegen Elektronen abzugeben (=Oxidation) oder welche aufzunehmen (=Reduktion). Betrachtet man die Oxidationszahl des Distickstoffs, so ist diese 0.

Merke

Abgabe von Elektronen       =   Oxidation
Aufnahme von Elektronen   =   Reduktion

In der folgenden Tabelle finden sich alle Stickstoffverbindungn, die in der Natur als Mineralstoffe vorkommen und damit zur Aufnahme durch Produzenten vewertbar sind.

Verbindung Oxidationszahl des Stickstoffs
Ammonium ($NH_4^+$)

- III

Nitrit ($NO_2^-$)

+ III

Nitrat ($NO_3^-$) + V
Distickstoffoxid ($N_2O$) + I

Stickstoff kann biochemisch nur über das Enzym Nitrogenase fixiert werden, welches unter hohem Energieaufwand aus Distickstoff Ammonium herstellt. Das entstandene Ammonium kann von Produzenten aufgenommen und zum Aufbau von Biomasse eingesetzt werden.

Stickstoffkreislauf: N2 kann nicht direkt von Pflanzen aufgenommen werden! Ammonium, Nitrit und Nitrat hingegen schon. Details des Stickstoffkreislaufs im Text.
Stickstoffkreislauf

Stickstoffkreislauf (terrestrisch)

  • Die Atmosphäre besteht aus ca. 80 % Stickstoff. Das Gas N2 ist aber in dieser Form für Pflanzen und Tiere nicht nutzbar.
  • 5–10 % gelangen als NH4+ (Ammonium) und NO3- (Nitrat) in den Boden, da sie im Regenwasser oder Feinstaub vorkommen.
  • Stickstoff-Fixierung verschiedenster Prokaryoten stellt ein wichtiges Bindeglied zwischen atmosphärischem N2 und verwertbarem Stickstoff dar (Ammoniak, NH3, Ox.-Zahl: - III)).
  • NH4 wird von aeroben Bakterien zu Nitrit oder Nitrat oxidiert. Die Nitrifikation stellt den Pflanzen Nitrat/Nitrit zur Verfügung.
  • Unter anaeroben Bedingungen wird wieder Sauerstoff gewonnen, indem Nitrat NO3- in N2 zurückverwandelt wird (Denitrifikation).

Merke

Stickstoff muss reduziert werden um von Produzenten in Biomasse umgewandelt werden zu können. Symbiotische Bakterien in den Wurzeln bestimmter Produzenten verhelfen den Pflanzen zur benötigten Ammoniumaufnahme.

Video: Stoffkreisläufe

Die Kreisläufe von Kohlenstoff und Stickstoff sind in der Natur besonders wichtig. Für den Stoffaustausch ist das Ökosystem ein geschlossenes System.
Lückentext
Bitte die Lücken im Text sinnvoll ausfüllen.
Fotosynthese und Atmung sind die wichtigsten Prozesse in der Bewegung des Kohlenstoffs (in diesem Fall in Form von ). Atmosphäre als auch Gewässer speichern Kohlenstoffdioxid. Erzeugtes organisches Material wird zersetzt und die Biomaterialien lagern sich ab. Im Laufe der Jahrtausende bilden sich fossile Brennstoffe.
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Lösen

Hinweis:

Bitte füllen Sie alle Lücken im Text aus. Möglicherweise sind mehrere Lösungen für eine Lücke möglich. In diesem Fall tragen Sie bitte nur eine Lösung ein.

Kommentare zum Thema: Stoffkreisläufe

  • Martina Henn-Sax schrieb am 30.03.2015 um 21:15 Uhr
    Hallo Badmaser, bei mir sieht alles gut aus....ich kläre das mit der Technik! Danke für Deinen Hinweis. Gruß Martina Henn-Sax
  • badmaser schrieb am 30.03.2015 um 12:38 Uhr
    anmerkung, das erste video ist in der tabelle plaziert, ist das gewollt ??
  • Martina Henn-Sax schrieb am 24.02.2015 um 14:48 Uhr
    Hi Kimberley, als Nitrifikation wird die bakterielle Oxidation von Ammoniak (NH3) bzw. Ammonium-Ionen (NH4+) zu Nitrat (NO3−) bezeichnet. Der Prozess ist in zwei Teile gegliedert: Im ersten Teil wird Ammoniak zu Nitrit oxidiert, dann das Nitrit im zweiten Teilprozess zu Nitrat oxidiert wird... Gruß Martina Henn-Sax
  • Kimberley Krendl schrieb am 24.02.2015 um 13:09 Uhr
    Kann es sein, dass in dem Video zum Stickstoff- Kreislauf der Begriff "Nitrifikation an der falschen Stelle ist? Denn bislang dachte ich, dass die Nitrifikation zwischen Ammonium und Nitrit und nicht zwischen Nitrit und Nitrat stattfindet..
Bild von Autor Dr. Martina Henn-Sax

Autor: Dr. Martina Henn-Sax

Dieses Dokument Stoffkreisläufe ist Teil eines interaktiven Online-Kurses zum Thema Ökologie.

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