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Der Wetterfrosch erklärt, warum Stickstoff für Lebewesen wichtig ist

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Das ist ein bezahlter Beitrag mit kommerziellem Charakter. Text und Bild wurden von der Firma Muster AG aus Musterwil zur Verfügung gestellt oder im Auftrag der Muster AG erstellt.

Die Luftschicht der Erde besteht grösstenteils aus Stickstoff, einer schwer zu knackenden chemischen Verbindung. Das schaffen nur winzige Bakterien. So entsteht Düngemittel, das wiederum Pflanzen wachsen lässt.

Im letzten Beitrag des Jahres 2022 (siehe FN vom 28. Dezember 2022) haben wir uns mit dem Jahreskreislauf beschäftigt. Naturkreisläufe bestimmen das Leben von Menschen, Tieren und Pflanzen. Alle Lebewesen sind in viele Kreisläufe integriert, auf sie angewiesen und könnten ohne sie gar nicht existieren. Die Bausteine, aus denen das Leben aufgebaut und erhalten wird, werden durch die verschiedenen Naturkreisläufe stark beeinflusst.

Stickstoff und Sauerstoff

Zu diesen Bausteinen des Lebens zählen zum Beispiel die Eiweissmoleküle, Proteine, Aminosäuren und so weiter. Sie enthalten die wichtigen chemischen Elemente wie Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor und andere. In der Atmosphäre, der Luftschicht unserer Erde, haben wir ein Gemisch von Stickstoff (78 Prozent), Sauerstoff (21 Prozent) und Spurengasen (circa 1 Prozent) wie Wasserdampf, Kohlendioxid und einzelne Edelgase.

Wetterfrosch Mario Slongo zeigt auf, was die Natur sich gedacht hat, als sie die Luft mit Stickstoff versetzt hat.
Charles Ellena/a

Alles hat seinen Sinn

Wir sind also von den wichtigsten Elementen Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff im Wasserdampf permanent umgeben. Wir atmen diese Elemente tagtäglich ein. Nun wissen wir, dass der Stickstoff praktisch unverbraucht wieder ausgeatmet wird. Da könnte man sich doch wirklich fragen, welche Bedeutung denn der Stickstoff hat. Er kommt in einer so grossen Menge im Luftgemisch vor und kann weder vom Menschen noch von Tieren und Pflanzen direkt aufgenommen und verwertet werden?

Intensiv verbunden

Aber wir wissen auch, dass in der Natur alles seinen Sinn hat und nichts Unsinniges existiert. Also muss auch der Stickstoff seine Berechtigung haben. Der Grund für seine Reaktionsträgheit ist in der Stabilität des Stickstoffmoleküls N2 zu suchen. Es besteht aus zwei Stickstoffatomen N (N ist lateinisch Nitrogenium), die durch drei Elektronenpaare intensiv miteinander verbunden sind. Das ergibt eine äusserst stabile chemische Verbindung, die nur sehr schwer aufzuknacken ist.

Die ursprünglichste Form von Leben finden wir in den Bakterien. Unzählig viele Bakterien existieren schon seit über drei Milliarden Jahren. Diese Bakterien bauen Lebewesen auf und erhalten sie. Einige davon sind so spezialisiert, dass sie den Stickstoff aufspalten und in eine verwertbare Form bringen können. Damit kann also ein Stickstoffkreislauf beginnen, wie in Abbildung 1 aufgezeigt wird.

Der Stickstoffkreislauf: Stickstoff gelangt in die Erde und wird von Knöllchenbakterien aufgenommen, die ihn in Düngemittel verwandeln.
Spielregeln der Natur/zvg

Wenn der Stickstoff im Luftgemisch in die lockere Erde kommt, wird er zum Beispiel durch sogenannte Knöllchenbakterien (siehe Abbildung 2) aufgenommen, das heisst fixiert.

Knöllchen und Knöllchenbakterien an der Wurzel einer Gartenbohne.
Adobestock

Diese Bakterien knacken dann den Stickstoff auf, das heisst, sie bringen ihn mit Sauerstoff und Wasser zusammen in eine Form, die die Pflanzen als Düngemittel aufnehmen und zum Wachstum verwerten können (Nitrifizierung). Diese Knöllchen entdeckte man erst in der Mitte des 20. Jahrhunderts, besonders an den Wurzeln von Schmetterlingsblütlern wie Lupinen, Erbsen, Bohnen, Linsen und Klee.

Unter dem Mikroskop zeigte sich, dass es in diesen Knöllchen von Bakterien wimmelt. Die Knöllchenbakterien leben also in einem sehr engen Verhältnis zu den Wurzeln (Symbiose). Wenn die Pflanzen den aufgeschlossenen Stickstoff aufnehmen, können sie pflanzliches Eiweiss bilden. Später ernähren sich Tiere und Menschen von diesen Pflanzen, und so wird das pflanzliche Eiweiss auch in tierisches und menschliches Eiweiss umgewandelt.

Wenn dann im Jahreskreislauf Pflanzen und Tiere absterben, gibt es wieder Bakterien, die den Stickstoff aus den Molekülen abbauen und zurück in die Luft entlassen (Dentrifizierung). Damit wäre der Kreislauf geschlossen.

Der Mensch ist in Eile

Der Stickstoffkreislauf verläuft also naturgemäss sehr langsam. Daher hat man vor über hundert Jahren versucht, den Stickstoff künstlich, das heisst industriell aufzuschliessen und ihn mit Wasserstoff zusammen in Ammoniak zu verwandeln. Das gelang dem Chemiker Haber und seinem Ingenieur Bosch mittels hohem Druck (200 Atmosphären) und hoher Temperaturen (500 bis 600 Grad Celsius). Man nennt den Prozess «Haber-Bosch-Verfahren».

Aus dem Ammoniak liess sich später für die Landwirtschaft ein Kunstdünger, der «Ammonsalpeter» herstellen. Damit greift aber der Mensch wieder beschleunigend in den Kreislauf ein, was zu Überdüngungen der Böden, zur Belastung des Grundwassers und der Umwelt führen kann.

Mit Naturgewalt

Eine letzte natürliche Möglichkeit, den Stickstoff aufzuschliessen, liegt in Gewittern oder Vulkanausbrüchen. Ein Blitz kann in seinem Kanal durch die Luft eine Temperatur von 30‘000 Grad Celsius erreichen. Bei solch hohen Temperaturen werden der Stickstoff und der Sauerstoff in ihre Atome zerlegt, die dann sofort miteinander Stickoxide bilden. Wenn sie aus der Atmosphäre ausgeregnet werden, können sie ebenfalls Ausgangsstoffe für Düngemittel werden, allerdings in sehr kleinen Mengen.

Der Stickstoffkreislauf ist für jeden Naturwissenschaftler einer der faszinierendsten Naturkreisläufe. Wenn man sich mit ihm befasst, bewegt man sich immer sehr nahe an den Fragen des Lebens, seiner Entstehung und seiner Entwicklungsphasen über Jahrmillionen.

Im nächsten Beitrag wollen wir uns einem Naturkreislauf im Atlantik widmen, dem Golfstrom, der für unser europäisches Wetter und Klima enorm wichtig ist.

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