N Zyklus

Der Stickstoff-Kreislauf
ƒ
N: nach Wasser größter limitierender Nährstoff
ƒ Protein, DNA, ATP, ...
ƒ
Nur 0.0025% des N ist biologisch verfügbar
ƒ
ƒ
ƒ
93% in Boden + Gestein
7% als N2 in Atmosphäre (enthält: 79% N2 )
N Arten und Oxidationsstufen – Reaktionsfreude:
Bezeichnung
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Oxidationsstufen
org. N
NH3, NH4+
N2H4
NH2OH
N2
N2O
NO
HNO2, NO2 NO2
HNO3, NO3-
Aminosäuren, Proteine, Harnstoff -3
Ammoniak, Ammonium,
Hydrazin (Raketentreibstoff)
Hydroxylamin
Stickstoff
Distickstoffoxid
(Lachgas)
Stickstoffmonoxid
Salpetrige Säure, Nitrit-Ion
Stickstoffdioxid
Salpetersäure, Nitrat-Ion
-3
-2
-1
0
+1
+2
+3
+4
+5
Nichtoxidierte
N-Formen
oxidierte
NFormen
Stickstoffkreislauf
N2
Freies N2 der
Atmosphäre
Zersetzung
Nichtsymbiotische
Azotobacter,
Beijerinckia,
Clostridium
Leguminosen
Destruenten
N2O
Denitrifizierende
Bakt.
Pseudomonas,
Industrielle
Fixierung:
Dünger
(aerobe/ anaerobe
Symbionten
Bakt. und Pilze)
Rhizobien
Bradyrhizobien
NH3
NO2-
Bacillus licheniformis,
Nitrosomonas
Paracoccus denitrificans
NO3-
NO2Nitrobacter
Ammonifikation
Fixierung
Nitrifikation
Denitrifikation
1
Quellen der Stickstoff-Fixierung aus N2
ƒ
Blitz-Fixierung - Umwandlung Atmosphärischen Stickstoffs zu Nitrat durch Blitze.
ƒ
ƒ
Ozon
(O3)
Blitze
Æ
-
NO3
+
Æ
N2
NH4
-
Æ
NO3
Fixierung via Fossile Brennstoff-Emissionen
ƒ
ƒ
+
Industrielle Fixierung – Umwandlung des N2 zu Ammoniak und Nitrat-Stickstoff
(Herstellung von Düngern und Sprengstoffen).
ƒ
ƒ
N2
Æ
N2
-
NOx
Biologische Fixierung – Nutzung des atmosphärischen N2
durch photosynthetische Blaualgen und Bakterien.
ƒ
N2
Æ
Organ. N
Globale N Fixierung
Tg/Jahr = Tera = (103)4 = 1012
= 1.000.000.000.000 = 1 Billion
Freisetzung
durch fossile
Brennstoffe
Anthropogen
LW.: Leguminosen und
Gründungungspfl.
Synthet.
N-Dünger
Stickstoff-Gas: N2
Blitze
NO3Natürliche, bakt. biolog. N-Fixierung
Hinter
grund
Atmosphärische Fixierung:
Blitze wandeln Stickstoff-Gas
und Ozon zu Nitrat um
Quelle: Agriculture, the global nitrogen cycle, and trace gas flux.
The Biogeochemistry of Global Change: Radiative Trace Gases.
R. S. Oremland. New York, Chapman and Hall: 193-208
2
Verbrennung und NOx – saurer Regen
ƒ
ƒ
Î CO2 + oxid.-N {N2O, NO, NO2} + Wasserdampf
Biomasse + O2
Kfz. Verbrennungsmotoren mit Stickstoff:
ƒ Oxidation erzeugt Î N2O
ƒ Zusätzlicher O2 :
ƒ
Î 4NO
2 N2O + O2
ƒ Überschuß O2:
2NO + O2 Æ 2NO2
NOX
ÅNOX in Aufreingung
ƒ
Verbrennung fossiler
Brennstoffe
Æ NOx in Atmosphäre
Gelöste
Stick-Oxide
verursachen
sauren Regen
NaOH Reinigung von
Industriellen Emissionen
minimiert atmosphärische
Emissionen,
erzeugt aber gelöstes Nitrat
Saurer Regen und Aufreinigung
Saurer Regen durch Industrie-Emissionen: NO und NO2
4NO
+
O2
2HNO2 +
O2
2NO2
+
+
2H2O
H2O
Æ
4HNO2 (salpetrige Sre.)
Æ
2HNO3
Æ
(Salpeter-Sre.)
Æ
2HNO2
Saurer Regen
Æ Boden
Aufreinigung der Industriellen Emissionen:
NaOH Neutralisierung:
HNO3
H+ + NO3-
+ NaOH
Æ H+
Æ
+ NO3
NO3-
-
+ H2O + Na+
3
Zusammenfassung
N Eintrag und N-Austrag in der Atmosphäre
Eintrag
Mill Tonnen pro Jahr
Biologische Fixierung:
Land
Meere
99
30
40
7
113
Industrielle Fixierung
Atmosphärische Fixierung
Niederschlag (naß+trocken)
289
Austrag
Denitrifikation:
Land
Meere
Feuer (Volatilisierung)
Ammoniak Volatilisierung
Industrielle Verbrennung
Tendenz:
N-Überschuss
120
40
50
75
18
d= 14
303
N Zyklus
INDUSTR.
FIXIERUNG
N2O
NO
N2
PFLANZENVERLUST
GLOBALE ERWÄRMUNG
ATMOSPHÄRE
N2 FIXIERER
SYMBIOTISCH
Nicht-SYMBIOTISCH
RHIZOBIUM
ALFALFA
SOJA
BLAUALGEN,
GRÜNALGEN
AZOTOBACTER
CLOSTRIDIUM
BLITZE,
REGEN
PFLANZEN- U.
TIER-RESTE
HABER BOSCH
(1200°C, 500 atm)
3H2 + N2
Æ
2NH3
MATERIAL MIT N
GEHALT > 1.5%
(z.B. Kuhmist )
MATERIAL MIT N
GEHALT < 1.5%
(WEIZENSTROH)
DÜNGUNG
AMINO
SÄUREN
E
LL
BIE NG
RO TZU
MIK RSE
ZE
NH3
IS
OBIL
IMM
N
IERU
G
AMMONIUM
VOLATILISIERUNG
AMINIERUNG
ORGAN.
MASSE
HETEROTROPHE
R-NH2 + ENERGIE + CO2
BAKTERIEN (pH>6.0)
PILZE (pH<6.0)
IMMOBILISIERUNG
OXIDATIONSSTUFEN
NH3 AMMONIAK
-3
NH4+ AMMONIUM
-3
N2 MOLEKULARER N 0
N2O DIStickstoffoxid 1
NO StickstoffMonoxid 2
3
NO2- NITRIT
NO3- NITRAT
5
MIKROB.PFLANZL
SINK
(SENKE)
2NH4+ + 2OHFIXIERT AN
AUSTAUSCHSTELLEN
NO2ITRIF
IK
s
MINERALISIERUNG
+ NITRIFIKATION
so
mo
na
DEN
N2O2-
R-OH + ENERGIE + 2NH3
+O2
Nit
ro
Pseudomonas, Bacillus,
Thiobacillus Denitrificans,
and T. thioparus
pH>7.0
R-NH2 + H2O
AMMONIFIKATION
NH2OH
ATIO
N
NO3POOL
DENITRIFIKATION
AUSWASCHUNG
AUSWASCHUNG
VOLATILISIERUNG
NITRIFIKATION
NITRIFIKATION
Nitrobacter
+ O2
2NO2- + H2O + 4H+
EINTRÄGE
TEMP 10°C
AUSWASCHUNG
AUSWASCHUNG
AUSTRÄGE
Auswaschung
pH 7.0
OXIDATIONSREAKTIONEN
REDUKTIONSREAKTIONEN
4
N Reaktionen und Prozesse – WICHTIG !
org. Stickstoff
N
Assimilatorische
Nitrat-Reduktase
ƒ
Ammonifikation
ƒ
Nitrifikation
ƒ
Denitrifikation
Die wichtigsten Vorgänge
ƒ
Ammonifikation
Zerfall von Norg Æ N anorg. (meist NH4+)
ƒ
Nitrifikation
NH4+ Æ NO3- durch nitrifizierende
Bakterien unter aeroben Bedingungen
ƒ
Denitrifikation
NO3- Æ NO2- Æ N2O Æ N2 durch
denitrifizierende Bakterien unter anaeroben
Bedingungen
ƒ
N-Immobilisierung
Aufnahme von NH4+ oder NO3- durch
Mikroorganismen
ƒ
N Assimilation
Einbau des NO3- bzw. NH4+ durch das
GOGAT System
ƒ
N2 Fixierung
Reduktion von N2 Æ NH3 durch symbiont.
Bakterien
= Hauptfluss von N2 in den Boden
Anschliessende Reaktion zu NH4+ im
Boden.
5
Ammonifikation und Hydrolyse
ƒ
Ammonifikation = Entstehung von NH4+ = bei N – Mineralisierung:
ƒ Desaminierung von Aminosäuren aus Pflanze, Mist, Tierkadaver (org. N)
ƒ Biolog. Zersetzung durch Mikroorganismen Î Carbon-Säure + NH4+ / NH3
ƒ
Hydrolyse = Teilschritt der Umwandlung v. org. N zu NH3
durch Bakterien, Pflanzen u. Tiere:
ƒ R-NH2
(Protein)
Î
Proteasen
+ H2O
R-OH
+
(organ. C)
NH3
ƒ Dazu gehört z.B. auch die Desaminierung von Harnstoff:
O
||
Î
HCO3+
2 NH3
NH2-C-NH2 + H2O
(Harnstoff)
Ureasen
N Assimilation und Aminierung
ƒ
Aminierung = Gegenteilige Reaktion zur Hydrolyse:
Nutzung des NH3 durch Bakterien
ƒ
ƒ
Î
NH3 + org. C + O2 + P
(Aminosäuren, Proteine,..)
Bakt. Wachstum
N Assimilation:
ƒ (nicht zu verwechseln mit: Æ Ammonifikation)
ƒ Bei der N-Assimilation bauen Pflanzen/Bakterien N, der aus NO3 und NH3 – stammt,
in ihre Aminosäuren ein. Sie nutzen hierzu ihr plastidäres GOGAT System.
ƒ NO3+
Ð
ƒ NH4+/NH3 +
ÆÆ
CO2
CO2
ÆÆ
organ. N
organ. N
6
Immobilisierung
ƒ
Als Immobilisierung bezeichnet man die bakterielle Aufnahme von NH4+
ƒ Einbau via Gs/GOGAT – System: Æ NO3—Assimilation:
ƒ = Glutaminsynthetase/ Glutamin-2-Oxoglutarat-Amino-Transferase
Biologische Oxidation = Nitrifikation
O2
NH4+
O2
Nitrosomonas
NO2-
Nitrobacter
NO3-
Nitrifikation genauer
ƒ
Nitrifikation = 2 Stufen:
NH4+ -----------> NO2- --------------> NO3ƒ 1. Ammoniak-Oxidation: = Nitritation
ƒ
NH3 + 2H+ + 2e- + O2 Î NH2OH + H2O
ƒ
NH2OH + H2O
Î + 4H+ + 4e- + HNO2
Ammoniak- Mono-Oxygenase
ƒ
ƒ
ƒ
V.a.: Nitrosomonas, Nitrobacter
Bakterien benötigen CO2 und O2
Reaktion setzt Protonen frei Î Versauernd
ƒ 2. Nitrit-Oxidation: = Nitratation
ƒ
NO2- + ½ O2 → NO3Nitrit-Oxidase
ƒ
ƒ
V.a.: Nitrobacter
Bakterien nutzen org. C oder CO2;
O2 oder andere e- Akzeptoren
7
Denitrifikation und DNAR
= Abbau von Nitrat:
ƒ
1. Denitrifikation
im O2 armen Milieu:
Umwelt enthält oxidierten N (=NO3), aber kaum O2 Î
ƒ 2NO3- + 5H2 + 2 H+ Æ
N2 + 6 H2O
(O2)
Nitrat Reduktase
ƒ Ca. 5% der Bodenbakterien
ƒ
ƒ
Benötigen org. C-Quelle,
einige nutzen CO2 (autotroph)
Nitrat-
Denitrifizierer
(NO3 )
N2
N2O
Alkalinität
-
ƒ
HCO3
2. DNAR: Dissimilatorische Nitrat zu Ammonium Reduktion (=Veratmung):
ƒ NO3- + 4H2 + 2H+ Î NH4+ + 3H2O
ƒ Nachfolgend: Æ Einbau des NH4+ in bakterielle Biomasse Æ N-Assimilation
ƒ WO: Sedimente mit hohem C- Gehalt
Lachgas- Emissionen durch Denitrifikation
ƒ
ƒ
N2O Emissionen sind um den Faktor 310 x Klima-schädlicher als CO2
Mittlere N2O-N-Emissionen: 2,5 % des N-Eintrages
ƒ Messwerte: Scheyern: 2,6 kg N2O-N / ha*a
ƒ
ƒ
ƒ
Mineraldünger,
Wirtschaftsdünger und
Ernterückstände
Lit: Flessa, 2002: in agrarspectrum; Umweltrelevante Spurengase in der Land- u. Forstwirtschaft
8