Jeder braucht Stickstoff, aber was nicht verhandelbare, lebenserhaltende Elemente angeht, ist es schwierig. Lebewesen benötigen Stickstoff, damit ihre Zellen funktionieren, und außerdem sind wir praktisch in das Zeug eingedrungen, da unsere Atmosphäre zu 78 Prozent aus Stickstoff besteht. Es gibt jedoch einen Haken: Es ist eine Situation " Wasser , Wasser überall, aber kein Tropfen zum Trinken".
Obwohl Stickstoff im Grunde überall lauert, ist er in der Erdkruste nicht besonders häufig und es ist für Lebewesen unglaublich schwierig, Luftstickstoff einzufangen und für ihre Zwecke zu verwenden. Es ist, als hätte man eine Tasche isländischer Krónur in Minneapolis, wo man sie nicht ausgeben kann.
"Stickstoff ist ein Hauptbestandteil von Aminosäuren, die die Bausteine von Proteinen und Nukleinsäuren wie DNA sind", sagt Jessie Motes, Ph.D. Kandidat an der Odum School of Ecology der University of Georgia, in einer E-Mail. "Neben dem Bedarf an Stickstoff für Proteine in Pflanzen ist es ein Hauptbestandteil von Chlorophyll, weshalb es für die Photosynthese von entscheidender Bedeutung ist."
Der Stickstoffkreislauf
Da Stickstoff eine begrenzte Ressource auf diesem Planeten ist, verbringt ein Stickstoffatom nicht viel Zeit damit, nichts zu tun, wenn es in einer Form vorliegt, die Lebewesen verwenden können - Wissenschaftler nennen diesen Stickstoff "fest". Fester Stickstoff wird von Pflanzen aufgenommen, die von Tieren gefressen werden, die andere Tiere fressen, die sterben und sich zersetzen und Stickstoff zurück in das Ökosystem abgeben, um von Bakterien oder Pflanzen bearbeitet zu werden. Dies ist der Zyklus eines Stickstoffatoms auf der Erde, und seine Reise beginnt entweder sehr leise oder mit einem gewaltigen Knall.
Schritt 1: Stickstofffixierung
Ob Sie es glauben oder nicht, Blitze und Bakterien sind in erster Linie dafür verantwortlich, Luftstickstoff in Stickstoff umzuwandeln, den Lebewesen nutzen können. Atmosphärischer Stickstoff (N2) ist sehr stabil, daher ist unglaublich viel Energie erforderlich, um ihn in eine andere Form umzuwandeln. Wenn Sie sich jemals gefragt haben, warum Ihre Pflanzen im Freien nach einem Regen glücklicher erscheinen als beim Einschalten einer Sprinkleranlage, gibt es einen Grund dafür: Der Blitz elektrisiert Luftstickstoff (N2) und Wasser (H2O), um sie in Ammoniak umzuwandeln ( NH3) und Nitrate (NO3). Dies fällt als Regen zu Boden, wo Pflanzen es schlürfen und für ihre biologischen Prozesse nutzen.
Am anderen Ende des Spektrums wird Stickstoff am häufigsten Stickstoff zur Verfügung gestellt, wenn Luftstickstoff von Bakterien fixiert wird, von denen einige frei im Boden leben und andere eine symbiotische Beziehung zu bestimmten Pflanzenarten haben. Hülsenfrüchte wie Erbsen, Klee und Erdnüsse haben kleine Knötchen an ihren Wurzeln, die Bakterien anziehen, die hartnäckigen Luftstickstoff in Ammoniak oder Ammonium umwandeln, das dann zur Energieversorgung der Pflanze verwendet werden kann.
Schritt 2: Nitrifikation
Ammoniak im Boden kann direkt von Pflanzen verwendet werden, aber es ist auch der erste Schritt im Prozess der Nitrifikation, durch den spezialisierte Bakterien und Archaeen Ammoniak in Nitrit (NO2) umwandeln und es dann an einen ganz anderen Satz von Prokaryoten weitergeben oxidiere das Nitrit weiter zu Nitrat (NO3-). Dieser Prozess ist langsam, aber auf diese Weise wird Stickstoff als Nährstoff in Boden-, Wasser- und Meeresumgebungen aufgebaut - Landpflanzen können beispielsweise Ammonium und Nitrat über ihre Wurzelhaare aufnehmen. Die auf die Nitrifikation spezialisierten Organismen sind auch bei der Behandlung von kommunalem Abwasser wichtig.
Schritt 3: Ammonifizierung
Alles, was lebt, stirbt schließlich ab, und der Stickstoff, den ein bestimmter Organismus beim Krächzen verwendet hat, wird von Bakterien zur Hand genommen, die die stickstoffreiche Leiche in Ammonium verwandeln, das von Pflanzen wieder aufgenommen und wieder verwendet werden kann.
Schritt 4: Denitrifikation
Es ist möglich, bioverfügbaren Stickstoff wieder in Luftstickstoff umzuwandeln, und dieser Prozess wird als Denitrifikation bezeichnet. Die Nitrifikation wird von Bakterien und Archaeen durchgeführt, die Sauerstoff vertragen - nicht alle Prokaryoten können dies. Im Falle der Denitrifikation wandeln bestimmte anaerobe Bakterien, die keinen Sauerstoff benötigen, Nitrat in Stickstoffgas um, das in die Atmosphäre schwimmt und schwer zu bekommen ist, bis ein Blitz oder ein schlaues stickstofffixierendes Bakterium vorbeikommt und es in den Stickstoffkreislauf einseilt wieder mal.
Menschen und der Stickstoffkreislauf
"Wie die meisten natürlichen Prozesse stören anthropogene Aktivitäten den Stickstoffkreislauf durch Stickstoffablagerung", sagt Motes. "Zu viel Stickstoff kann zu erhöhten Emissionen des Treibhausgases Lachgas sowie zu einer Eutrophierung führen, bei der es sich um eine Stickstoffverschmutzung der Wasserquellen handelt."
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Ein Teil des Stickstoffs wird durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe gebunden.
