27.9
Der Stickstoffkreislauf
Stickstoffatome, welche in allen Proteinen und der DNA vorkommen, werden zwischen abiotischen und biotischen Komponenten des Ökosystems recycelt. Die…
Der Stickstoffkreislauf beinhaltet die Bewegung von Stickstoffatomen zwischen biotischen und abiotischen Bestandteilen im Ökosystem. Der größte Teil des Stickstoffs des Ökosystems wird als Gas, N2, in der Atmosphäre gespeichert. Aber nur Bakterien besitzen die notwendigen Enzyme, um Stickstoffgas von anderen Organismen in eine brauchbare Form zu überführen, ein Begriff, der als Stickstofffixierung bezeichnet wird.
Daher ist Stickstoff ein sehr begrenzter Nährstoff im Ökosystem. Sobald Bakterien im Boden das Gas in Ammoniak umwandeln, können Pflanzen den Stickstoff in Proteine, DNA und andere organische Moleküle umwandeln, die von Pflanzenfressern verbraucht und in Aminosäuren zerlegt werden. Diese können zu nutzbaren Proteinen für Wachstum und Entwicklung sowie zur Ernährung der Verbraucher wieder zusammengesetzt werden.
Gleichzeitig geben Pflanzenfresser und Verbraucher etwas Stickstoff als Abfallprodukte an den Boden zurück. Sowohl tote Organismen als auch Abfallprodukte enthalten Stickstoff in Form von Protein, Harnstoff und Harnsäure. Zersetzer wie Bakterien und Pilze können diese Moleküle abbauen und Ammoniak wieder in den Boden abgeben, das von Pflanzen absorbiert oder von nitrifizierenden Bakterien in Nitrate umgewandelt werden kann.
Diese Nitrate können auch entweder von Pflanzen aufgenommen oder in Abwesenheit von Sauerstoff durch Denitrifikation von Bakterien in Stickstoffgas umgewandelt werden. Der Mensch bringt durch die Verwendung von landwirtschaftlichen Düngemitteln auch Stickstoff in das Ökosystem ein. Bei falscher Verwendung oder in großen Mengen kann jedoch überschüssiger Stickstoff in aquatische Ökosysteme fließen und das Wachstum von Bakterien, Algen und Wasserpflanzen erhöhen, ein Vorgang, der als Eutrophierung bezeichnet wird. Eutrophierung (Nährstoffeintrag)
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why is nitrogen fixation essential in the nitrogen cycle?
Nitrogen fixation is essential because most atmospheric nitrogen exists as N2 gas, which most organisms cannot use directly. Only specialized bacteria possess the enzymes to convert N2 into ammonia, making nitrogen available for plants and other organisms. Without nitrogen fixation, nitrogen would remain locked in the atmosphere and unavailable to the biosphere.
Q2: How do plants obtain usable nitrogen from the soil?
Plants absorb nitrogen in two forms: ammonia produced by nitrogen-fixing bacteria, and nitrates created by nitrifying bacteria. These bacteria convert ammonia into nitrites and nitrates, which plants can directly absorb through their roots. This process makes nitrogen accessible for plant growth and protein synthesis.
Q3: What role do decomposers play in returning nitrogen to soil?
Decomposers like bacteria and fungi break down dead organisms and waste products containing nitrogen compounds such as proteins, urea, and uric acid. This decomposition releases ammonia back into the soil, which can be reabsorbed by plants or converted into nitrates by nitrifying bacteria, continuing the nitrogen cycle.
Q4: How does denitrification complete the nitrogen cycle?
Denitrifying bacteria convert nitrates back into nitrogen gas in anaerobic environments lacking oxygen. This process releases N2 back into the atmosphere, completing the cycle and returning nitrogen to its primary atmospheric reservoir where it remains until nitrogen-fixing bacteria convert it again.
Q5: What is eutrophication and how does agricultural fertilizer cause it?
Eutrophication occurs when excess nitrogen from agricultural fertilizers flows into aquatic ecosystems, stimulating rapid growth of bacteria, algae, and aquatic plants. This nutrient overload disrupts aquatic ecosystems and can create toxic algal blooms. Improper fertilizer timing or excessive quantities are primary causes of this environmental problem.
Q6: How do herbivores and consumers contribute to the nitrogen cycle?
Herbivores and consumers obtain nitrogen by eating plants, converting plant proteins into amino acids. They reassemble these amino acids into usable proteins for growth and development. Simultaneously, they return nitrogen to soil through waste products like urine and feces, which decomposers then break down to release ammonia.
Q7: Where is nitrogen stored long-term in ecosystems?
The primary long-term nitrogen reservoir is nitrogen gas in the atmosphere, comprising about 78% of air. Secondary sinks include swamps, marine sediments, and sedimentary rock, where nitrogen compounds can be stored for extended periods. Weathering of sedimentary rock can release stored nitrogen back into the ecosystem.