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«Universität Osnabrück Seminar Hauptseminar der Angewandten Systemwissenschaft SS 1998 Leitung: Prof. Dr. Michael Matthies Thema: Der ...»

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Fachbereich Mathematik/Informatik

Universität Osnabrück

Seminar

Hauptseminar der

Angewandten Systemwissenschaft

SS 1998

Leitung: Prof. Dr. Michael Matthies

Thema:

Der Stickstoffkreislauf

Weltbevölkerung und Stickstoffdünger

Referent:

Benjamin Stark

Referat gehalten am 20. Mai 1998

Der Stickstoffkreislauf Seite 2 Inhalt

1. Einleitung

2. Kreislauf

3. Stickstoff

4. Dünger

5. Probleme

6.. Aussichten

Abbildungen Abb.1 Räderwerk der Kreisläufe

Abb.2 Stickstoff und einige seiner Verbindungen in der Biosphäre

Abb.3 Wurzelknöllchen an einer Sojabohne

Abb.4 Biospärischer Teil des Stickstoffkreislaufs

Abb.5 Stickstoffkreislauf (vereinfacht)

Abb.6 Entwicklung Weltbevölkerung - Verbrauch synth. Stickstoffdünger im 20. Jh..........9 Abb.7 Geogener und anthropogener Stickstoffluß - Ausschnitt

Literatur Gisi, Ulrich Bodenökologie Georg Thieme Verlag, 1990 Hutzinger, Otto The Handbook of Environmental Chemistry, Vol.1 Part B Springer-Verlag, 1982 Klötzli, Frank A.

Ökosysteme Gustav Fischer Verlag, 1993 Likens, Gene E.

Some Perspectives of the Major Biogeochemical Cycles John Wiley & Sons, 1981 Smil, Vaclav Global Population and the Nitrogen Cycl

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Zur Ernährung der mittlerweile rund sechs Milliarden Menschen wird in der modernen Landwirtschaft so viel Stickstoff als Düngemittel verwendet, daß sich seine Verteilung auf der Erde dramatisch und in mancher Hinsicht sogar gefährlich verändert hat.

1. Einleitung Innerhalb dieses Jahrhunderts hat sich die Weltbevölkerung nahezu vervierfacht. Viele Faktoren haben zwar dazu beigetragen, doch das beispiellose Wachstum während der letzten Generationsspanne wäre nicht möglich gewesen ohne eine weitverbreitete, aber allgemein unterschätzte industrielle Aktivität: Die großtechnische Herstellung von Ammoniak und davon abgeleiteten stickstoffhaltigen Düngemitteln. Mangelnde Stickstoffversorgung der Böden einst ein fundamentaler ertragsbegrenzender Faktor im Pflanzenbau - war mit dem leicht verfügbaren Kunstdünger erfolgreich zu beheben. Dieser Tatsache, aber auch vielen weiteren Fortschritten in der modernen landwirtschaftlichen Praxis ist es zu verdanken, daß heute theoretisch für alle Menschen genug Nahrung zur Verfügung steht, trotz ihrer enormen und noch weiter steigenden Zahl.

Doch warum ist Stickstoff von so zentraler Bedeutung für unsere Ernährung und welche konkreten Auswirkungen hat die immense Produktion von industriellem Stickstoffdünger ?

Dazu ist es zuerst notwendig, den natürlichen Kreislauf des Stickstoffs auf unserer Erde genauer zu untersuchen. Aber was ist überhaupt eine Kreislauf ?

2. Kreislauf Beim Stichwort Kreislauf fällt einem Nicht-Biologen vielleicht als erstes der eigene Blutkreislauf oder der Heizungskreislauf eines Wohnhauses ein. Diese beiden Kreisläufe sind zweckbestimmte Vorgänge, in denen ein Stoff immer wieder an seinen Ausgangspunkt zurückkehrt und dabei bestimmte Veränderungen erfährt oder an Prozessen teilnimmt.

Der Blutkreislauf zum Beispiel versorgt alle Organe mit Sauerstoff und Nährstoffen und führt Kohlenstoffdioxid und Giftstoffe den Ausscheidungsorganen zu. Dabei bleibt das zirkulierende Blut selbst im Kreislauf und bewegt sich auf festgelegten Bahnen, den Adern. Ebenso wird beim Heizungskreislauf ständig heißes Wasser durch ein Röhrensystem gepumpt, welches seine Wärme beim Durchlaufen der Heizkörpers an den Wohnraum abgibt und selbst zurück zur Heizungsanlage läuft, um dort erneut erhitzt zu werden.

Diese Beispiele sind noch recht überschaubar, denn sie verlaufen in einem nahezu geschlossenen System. Die Kreisläufe in der Umwelt sind dagegen zum größten Teil unsichtbar und sehr kompliziert. Sie lassen sich nicht unabhängig voneinander betrachten, sondern sind eng miteinander verbunden und kurbeln sich gegenseitig an.

Die wichtigsten Kreisläufe der Natur sind der Wasserstoffkreislauf, der Kohlenstoffkreislauf, der Sauerstoffkreislauf, der Phosphorkreislauf und natürlich der Stickstoffkreislauf. Auch aus diesen Kreisläufen gehen keine Elemente verloren, sondern sie werden in verschiedenen

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Prozessen gebunden und wieder freigesetzt. Sie laufen auf bestimmten Bahnen, von toter Substanz zu Lebewesen, von einem Lebewesen zum anderen und wieder zu toter Substanz angetrieben durch den Energiefluß der Sonne.

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Man bezeichnet solche Kreisläufe der Natur auch als „ biogeochemische“ Kreisläufe, da ihre chemischen Grundstoffe zwischen belebten (Biosphäre) und unbelebten (Geosphäre) Teilsystemen der Erdoberfläche zirkulieren. Unterschieden wird zwischen Kreisläufen gasförmiger Stoffe und Kreisläufen der Feststoffe. In allen sind aber meist nur sehr geringe Mengen des Stoffes im Umlauf, verglichen mit den riesigen stillen Lagern des gleichen Stoffes.

Dies ist auch beim Stickstoff der Fall, der im folgenden genauer betrachten werden soll.

Zusammenfassung:

Kreislauf = Prozeß, bei dem die daran beteiligten Stoffe (auch die Energie) innerhalb eines bestimmten Systems nach Durchlaufen verschiedener Umwandlungsprozesse stets wieder in der ursprünglichen Form und Menge vorliegen.





3. Stickstoff Stickstoff ist ein gasförmiges Element mit dem chemischen Symbol N (von lat. Nitrogenium), das sowohl farblos als auch geruch- und geschmacklos ist. Es ist ein reaktionsträges und ungiftiges Gas, das in Form zweiatomiger Moleküle, N2, vorliegt.

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Mit über 78 Volumenprozenten ist Stickstoff das häufigste Element der Erdatmosphäre. Es gehört aber außerdem zu den Schlüsselelementen der Biosphäre, da die wichtigsten Moleküle des Lebens - Aminosäuren (Bausteine der Proteine bzw. Eiweiße) und Nukleinsäuren (Bausteine der DNS) - Stickstoff als wesentliches Element enthalten.

Alle Organismen, d.h. Pflanzen, Tiere und Menschen, enthalten also Stickstoff in Form von Eiweißverbindungen und Nukleinsäuren. Menschen und Tiere können diese Moleküle aber nicht unter Verwendung des Luftstickstoffs herstellen und müssen deshalb Stickstoffverbindungen mit der Nahrung, insbesondere in Form von pflanzlichem und tierischem Protein, aufnehmen. Eine Mindestversorgung ist zum Ausgleich der kontinuierlichen Verluste unabdingbar.

Pflanzen dagegen stellen die von ihnen benötigten Aminosäuren alle selbst her. Dazu nimmt die Pflanze Stickstoff in Form von Nitrat- oder Ammonium-Ionen über die Wurzeln aus dem Boden auf. Doch ist Stickstoff - obwohl im Übermaß in der Atmosphäre vorhanden - nur zu einem sehr geringen Anteil im Boden gebunden. Molekularer Stickstoff (N2) ist zu stabil, als daß er sich ohne weiteres in eine reaktive, im Stoffwechsel nutzbare Form überführen ließe.

Abb.2: Stickstoff und einige seiner Verbindungen in der Biosphäre

Jedoch existieren im Boden freilebende oder in Symbiose mit Pflanzenwurzeln lebende Bakterien, die den atmosphärischen Luftstickstoff direkt in Nährstoffe umwandeln können.

Dieser Vorgang wird Stickstoffixierung genannt.

Durch das symbiotische Zusammenleben von Bakterien der Gattungen Rhizobium und Bradyrhizobium mit den Wurzeln von Hülsenfrüchtlern (Leguminosen = Schmetterlingsblütler, Mimosengewächse und Caesalpiniengewächse) wie Erbsen, Bohnen oder Klee entstehen sogenannte Wurzelknöllchen, in denen die Umwandlung von atmosphärischem Stickstoff N 2 zu Ammonium NH4+ stattfindet. Dazu liefern die Bakterien einen sauerstofflabilen, stickstoffreduzierenden Enzymkomplex, während die Pflanze die nötige Energie, Elektronentransportsysteme für die Reduktion, sauerstoffbindende Enzyme und Kohlenhydrate zur Bildung von Aminosäuren zur Verfügung stellt.

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Nachdem nun der Stickstoff gebunden als Ammoniak im Knöllchen vorliegt, wird dieser abtransportiert, und das Knöllchen stirbt ab. Die Pflanze setzt den aufgenommenen Ammoniak dabei sofort mit organischen Säuren zu Aminosäuren um, da freies Ammoniak für sie selbst giftig ist. Durch diese Art der Stickstoffixierung werden pro Jahr und Hektar zwischen 300 und 600 Kilogramm Stickstoff gebunden bzw. fixiert.

Bei Nicht-Hülsenfrüchtlern befinden sich in der Boden-Wurzel-Grenzschicht (Rhizosphäre) die freilebenden, nichtsymbiotisch stickstoffixierenden Bakterien. Sie sind aber nur in kleiner Anzahl und vorwiegend in subtropischem Klima vorhanden. Bevorzugte Wirtspflanzen sind vor allem Reis, aber auch Zuckerrohr und andere tropische Kulturpflanzen.

Neben der Stickstoffixierung vermag die Energie von Gewitterblitzen in geringem Maße die stabilen Stickstoffmoleküle der Luft zu spalten, so daß mit dem Sauerstoff aus der Luft Stickstoffoxide, NOx, gebildet werden. Mit dem Regen werden diese Oxide als salpetrige Säure in den Boden geschwemmt und können dort pflanzenverfügbare Nährstoffe bilden.

N2 + O2 + Energie → 2 NO NO + H20 → H2NO2 (salpetrige Säure)

Abgestorbene Pflanzen und Exkremente von Tieren und Menschen werden bei der Mineralisierung durch eine Reihe von Mikroorganismen umgewandelt. Die sogenannte Ammonifikation erfolgt nach folgendem Schema:

1. Spaltung der Makromoleküle (Proteine, Nukleinsäuren):

Org.N → R-NH2 + CO2 + C-Verbindungen + Energie

2. Desaminierung:

R-NH2 + H2O → NH4+ + R-OH + Energie

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Das entstandene Ammonium-Ion wird unter aeroben (sauerstoffreichen) Verhältnissen von

Bakterien der Gattung Nitrosomas und Nitrobacter über Nitrit zu Nitrat oxidiert. Dieser Vorgang heißt Nitrifikation:

2 NH4+ + 3 O2 → 2 NO2- + 2 H2O + 4 H+ vollzogen durch Nitrosomas 2 NO2- + O2 → 2 NO3- vollzogen durch Nitrobacter Da die zweite Reaktion schneller abläuft als die erste, findet man Nitrit im Boden meist nur in Spuren. Die Pflanzen nehmen den Stickstoff meist als Nitrat auf und verwerten ihn unter Reduktion zu NH4+ zur Synthese von stickstoffhaltigen Zellbestandteilen. Diese Reduktion kann unter aeroben wie unter anaeroben Bedingungen ablaufen.

Allerdings steht besonders unter anaeroben (sauerstoffarmen) Bedingungen nicht die gesamte so erzeugte Nitratmenge den Pflanzen als Nährstoff zur Verfügung. Eine bestimmte Bakterienart, sogenannte denitrifizierende Bakterien, bedienen sich des Nitrats als Sauerstoffquelle (Nitratatmung oder Denitrifikation). Dabei wird Nitrat zu Stickstoff (N2) reduziert und entweicht in die Atmosphäre.

2 Org.C + 2 NO3- → 2 CO2 + 2 H2O + N2 + Energie Da nicht alle Mikroorganismen Nitrat vollständig reduzieren, tritt auch N2O als Endprodukt der Denitrifikation auf. Da N2O ein leichtflüchtiges Gas ist, entweicht es aus dem Boden, bevor es weiter reduziert werden kann.

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Zusammenfassung:

Stickstoff ist für Pflanzen, Tiere und Menschen lebensnotwendig, da er elementarer Bestandteil von Proteinen und Nukleinsäuren ist; Pflanzen können Stickstoff nur in Form von Nitrat- oder Ammonium-Ionen aufnehmen;

atmosphärischer Stickstoff gelangt über stickstoffixierende Bakterien in den Boden; Tote organische Stickstoffverbindungen werden von Bakterien zu Ammoniak bzw. Ammonium abgebaut

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An diese seit Jahrmillionen gegebenen natürlichen Bedingungen hat sich das Leben auf unserem Planeten angepaßt. Aufbau und Abbau der Stickstoffverbindungen sind in einen Kreislauf eingebunden, der im wesentlichen geschlossen ist.

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4. Dünger Ackerböden wird außer durch verschiedene natürliche Prozesse auch durch Anbau und Ernte der Kulturpflanzen kontinuierlich Stickstoff entzogen. In vor-industriellen Gesellschaften hat man ihn über Mist, Gülle und andere organische Dünger rückzuführen versucht. Allerdings mußten riesige Mengen dieser sogenannten Wirtschaftsdünger ausgebracht werden, um eine ausreichende Stickstoffversorgung sicherzustellen.

Eine weitere traditionelle Methode ist der Anbau von Hülsenfrüchten wie Erbsen, Bohnen und Linsen, die die Entstehung von Wurzelknöllchen zulassen, im Wechsel mit Getreide und einigen anderen Nutzpflanzen. Teilweise wurden Hülsenfrüchtler wie Klee ausschließlich zu dem Zweck ausgesäht, sie später als Gründünger unterzupflügen.

Die Kombination von Gründüngung und dem Ausbringen menschlicher und tierischer Exkremente kann theoretisch im Jahr bis zu 200 Kilogramm Stickstoff pro Hektar ackerbaulich nutzbarer Fläche bereitstellen. Die damit erzeugten 200 bis 250 Kilogramm Pflanzenprotein bedeuten, daß bei gutem Boden, ausreichender Feuchtigkeit und mildem Klima, das ganzjährige Bewirtschaftung erlaubt, ein Hektar Ackerland immerhin 15 Menschen ernähren kann.

Doch ist in der Praxis von einer Obergrenze von nur ungefähr fünf Menschen auszugehen, da zum Beispiel ungünstige Witterung und Schädlingsbefall immer wieder Ernteeinbußen brachHauptseminar Systemwissenschaft Benjamin Stark Der Stickstoffkreislauf Seite 9 ten und Flächen für Arznei-, Faser- und andere Pflanzen abzuzweigen waren, die nicht dem Verzehr dienten. Doch das eigentlich Dilemma lag in dem geschlossenen Stickstoffkreislauf.

Besonders scharf äußerste es sich in Gegenden mit Landknappheit, wo keine freien Flächen als Weide zu nutzen oder urbar zu machen waren. Die einzige Möglichkeit, die durch den lokalen Stickstoffkreislauf gesetzten Ertragsgrenzen zu überschreiten, bot dann der vermehrte Anbau von Gründünger. Doch dadurch fiel eine sonst Nahrung liefernde Fruchtfolge aus, weshalb ein Fruchtwechsel von eßbaren Hülsenfrüchtlern mit dem Hauptgetreide demnach die bessere Wahl war. Aber auch diese in der traditionellen Landwirtschaft verbreitete Methode hat wiederum ihre Grenzen. Hülsenfrüchtler liefern geringere Erträge, und außer daß die Produkte schwer verdaulich sind, lassen sich daraus auch nicht ohne weiteres Brot oder andere Teigwaren herstellen. Die wenigsten der nach altüberkommenen Verfahrensweisen angebauten Nahrungspflanzen hatten demnach eine angemessene Stickstoffversorgung.



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