Reis. 100. Knötchenbakterien an den Wurzeln einer Hülsenfruchtpflanze

Bei der Verrottung organischer Stoffe wird ein erheblicher Teil des darin enthaltenen Stickstoffs in Ammoniak umgewandelt, das unter dem Einfluss der im Boden lebenden nitrifizierenden Bakterien dann zu Salpetersäure oxidiert wird. Letzteres reagiert mit Kohlensäuresalzen im Boden, beispielsweise CaCO 3, und bildet Nitrat: 2HNO 3 + CaCO 3 = Ca(NO 3) 2 + CO 2 + H 2 O

Es wird immer ein Teil des organischen Stickstoffs freigesetzt wenn es frei in die Atmosphäre verrottet. Freier Stickstoff wird auch bei der Verbrennung organischer Stoffe, beim Verbrennen von Holz, Kohle, Torf usw. freigesetzt. Darüber hinaus gibt es Bakterien, die bei unzureichendem Zugang zu Sauerstoff Salpetersäuresalze aufnehmen und unter Freisetzung von freiem Stickstoff zerstören können Stickstoff. Die Aktivität dieser denitrifizierenden Bakterien führt dazu, dass ein Teil des gebundenen Stickstoffs aus einer für Grünpflanzen zugänglichen Form (Nitrat) unzugänglich (frei) wird.

Daher kehrt nicht alles, was Teil der abgestorbenen Pflanzen war, in den Boden zurück; Ein Teil davon wird ständig in freier Form freigesetzt und geht somit den Pflanzen verloren. Der kontinuierliche Verlust mineralischer Stickstoffverbindungen hätte längst zum völligen Aussterben des Lebens auf der Erde führen müssen, wenn es in der Natur nicht Prozesse gegeben hätte, die den Verlust kompensieren von Stickstoff. Zu diesen Prozessen zählen zunächst elektrische Entladungen in der Atmosphäre, bei denen immer eine gewisse Menge Stickoxide entsteht; Letztere produzieren mit Wasser Salpetersäure, die im Boden in Nitrat umgewandelt wird. Eine weitere Quelle für die Wiederauffüllung von Bodenstickstoffverbindungen ist die lebenswichtige Aktivität des sogenanntenAzotobakterien, die atmosphärischen Stickstoff aufnehmen können. Einige dieser Bakterien siedeln sich an den Wurzeln von Pflanzen aus der Familie der Hülsenfrüchte an und verursachen dort die Bildung charakteristischer Schwellungen – „Knötchen“, weshalb sie auch als Knötchenbakterien bezeichnet werden (Abb. 100). Atmosphärisch assimilierenStickstoff wird von Knöllchenbakterien zu Stickstoffverbindungen verarbeitet, und Pflanzen wiederum wandeln diesen in Proteine ​​und andere komplexe Verbindungen um. Daher sind HülsenfrüchteIm Gegensatz zu den anderen kann sich Sthenia gut auf Böden entwickeln, die nahezu keine Stickstoffverbindungen enthalten.

Reis. 101. Schema des Stickstoffkreislaufs in der Natur

Die Aktivität von Bakterien, die Luftstickstoff assimilieren, ist der Hauptgrund dafür, dass die Menge an gebundenem Stickstoff im Boden trotz der Verluste, die beim Abbau von Stickstoffverbindungen entstehen, mehr oder weniger konstant bleibt. Dieser Abbau wird durch die Neubildung von Stickstoffverbindungen kompensiert und so entsteht in der Natur ein kontinuierlicher Stickstoffkreislauf (Abb. 101).

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Stoffkreislauf in der Natur

Die Aktivität lebender Organismen geht mit der Gewinnung großer Mengen Mineralien aus der umgebenden unbelebten Natur einher.

Nach dem Tod von Organismen werden ihre chemischen Bestandteile an die Umwelt zurückgegeben.

So entsteht in der Natur der biogene Stoffkreislauf, d.h. Stoffzirkulation zwischen Atmosphäre, Hydrosphäre, Lithosphäre und lebenden Organismen.

Stickstoffkreislauf in der Natur

Stickstoff zirkuliert kontinuierlich in der Biosphäre der Erde über ein Netzwerk geschlossener, miteinander verbundener Pfade. Zu den natürlichen Prozessen wurde die künstliche Stickstofffixierung bei der Herstellung von Mineraldüngern hinzugefügt.

Stickstoff ist einer der am häufigsten vorkommenden Stoffe in der Biosphäre, der schmalen Hülle der Erde, in der das Leben stattfindet. Somit bestehen fast 80 % der Luft, die wir atmen, aus diesem Element. Der meiste Luftstickstoff liegt in freier Form vor, in der zwei Stickstoffatome zu einem Stickstoffmolekül, N2, verbunden sind. Da die Bindungen zwischen zwei Atomen sehr stark sind, können lebende Organismen molekularen Stickstoff nicht direkt nutzen – er muss zunächst in einen „gebundenen“ Zustand überführt werden. Während des Bindungsprozesses werden Stickstoffmoleküle gespalten, wodurch einzelne Stickstoffatome an chemischen Reaktionen mit anderen Atomen teilnehmen können und so verhindert wird, dass sie sich wieder zu einem Stickstoffmolekül verbinden. Die Bindung zwischen Stickstoffatomen und anderen Atomen ist schwach genug, um lebenden Organismen die Nutzung von Stickstoffatomen zu ermöglichen. Daher ist die Stickstofffixierung ein äußerst wichtiger Teil der Lebensprozesse auf unserem Planeten.

Der Stickstoffkreislauf besteht aus einer Reihe geschlossener, miteinander verbundener Pfade, durch die Stickstoff in der Biosphäre der Erde zirkuliert. Betrachten wir zunächst den Prozess der Zersetzung organischer Stoffe im Boden.

Verschiedene Mikroorganismen extrahieren Stickstoff aus zersetzenden Materialien und wandeln ihn in die Moleküle um, die sie für den Stoffwechsel benötigen. Dabei wird der restliche Stickstoff in Form von Ammoniak (NH3) oder Ammoniumionen (NH4+) freigesetzt. Andere Mikroorganismen binden diesen Stickstoff dann und wandeln ihn meist in die Form von Nitraten (NO3–) um. Beim Eindringen in Pflanzen ist dieser Stickstoff an der Bildung biologischer Moleküle beteiligt. Nach dem Absterben des Organismus wird Stickstoff wieder in den Boden zurückgeführt und der Kreislauf beginnt von neuem. Während dieses Zyklus sind sowohl Stickstoffverluste als auch ein Ausgleich dieser Verluste aufgrund von Vulkanausbrüchen und anderen Arten geologischer Aktivität möglich.

Stellen Sie sich vor, dass die Biosphäre aus zwei miteinander verbundenen Stickstoffreservoirs besteht – einem riesigen (Stickstoff in der Atmosphäre und den Ozeanen) und einem sehr kleinen (Stickstoff in Lebewesen). Zwischen diesen Reservoirs gibt es einen schmalen Durchgang, in dem Stickstoff auf die eine oder andere Weise gebunden ist. Unter normalen Bedingungen gelangt Stickstoff aus der Umwelt über diesen Durchgang in biologische Systeme und kehrt nach dem Absterben biologischer Systeme in die Umwelt zurück.

Nennen wir ein paar Zahlen. Die Atmosphäre enthält etwa 4 Billiarden (4 1015) Tonnen Stickstoff und die Ozeane enthalten etwa 20 Billionen (20 1012) Tonnen. Ein kleiner Teil dieser Menge – etwa 100 Millionen Tonnen – wird jährlich gebunden und in lebende Organismen aufgenommen. Von diesen 100 Millionen Tonnen fixiertem Stickstoff befinden sich nur 4 Millionen Tonnen in pflanzlichen und tierischen Geweben – der Rest reichert sich in zersetzenden Mikroorganismen an und gelangt wieder in die Atmosphäre.

Der Hauptlieferant von fixiertem Stickstoff in der Natur sind Bakterien: Dank ihnen werden etwa 90 bis 140 Millionen Tonnen Stickstoff fixiert. Die bekanntesten stickstofffixierenden Bakterien kommen in den Knöllchen von Hülsenfrüchten vor. Die traditionelle Methode zur Steigerung der Bodenfruchtbarkeit basiert auf ihrer Verwendung: Zunächst werden Erbsen oder andere Hülsenfrüchte auf dem Feld angebaut, dann werden sie in den Boden gepflügt und der in ihren Knollen gebundene Stickstoff gelangt in den Boden. Anschließend wird das Feld mit anderen Nutzpflanzen besät, die diesen Stickstoff bereits für ihr Wachstum nutzen können.

Bei Gewittern wird ein Teil des Stickstoffs in einen gebundenen Zustand umgewandelt. Sie werden überrascht sein, aber Blitze kommen viel häufiger vor, als Sie denken – etwa hundert Blitze schlagen pro Sekunde ein. Während Sie diesen Absatz lasen, zuckten rund um die Welt etwa 500 Blitze. Die elektrische Entladung erhitzt die Atmosphäre um ihn herum, Stickstoff verbindet sich mit Sauerstoff (Verbrennungsreaktion) und bildet verschiedene Stickoxide. Und obwohl dies eine ziemlich spektakuläre Form der Sequestrierung ist, werden damit nur 10 Millionen Tonnen Stickstoff pro Jahr erfasst.

Durch natürliche Prozesse werden so pro Jahr 100 bis 150 Millionen Tonnen Stickstoff gebunden. Im Zuge der menschlichen Tätigkeit wird auch Stickstoff gebunden und in die Biosphäre abgegeben (z. B. führt die Aussaat von Feldern mit Hülsenfrüchten zur Bildung von jährlich 40 Millionen Tonnen gebundenem Stickstoff). Zudem kommt es bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe in Stromgeneratoren und Verbrennungsmotoren zu einer Erwärmung der Luft, etwa bei einer Blitzentladung. Jedes Mal, wenn Sie Auto fahren, gelangen zusätzliche Mengen an gebundenem Stickstoff in die Biosphäre. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe werden jährlich etwa 20 Millionen Tonnen Stickstoff gebunden.

Den meisten gebundenen Stickstoff produziert der Mensch jedoch in Form von Mineraldüngern. Wie so oft bei den Errungenschaften des technischen Fortschritts verdanken wir die Technologie der Stickstofffixierung im industriellen Maßstab dem Militär. In Deutschland wurde vor dem Ersten Weltkrieg ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak (einer Form von festem Stickstoff) für den Bedarf der Militärindustrie entwickelt. Stickstoffmangel hemmt oft das Pflanzenwachstum, und Landwirte kaufen künstlich gebundenen Stickstoff in Form von Mineraldüngern, um die Erträge zu steigern. Derzeit werden jährlich etwas mehr als 80 Millionen Tonnen gebundener Stickstoff für die Landwirtschaft produziert. Summiert man den gesamten menschlichen Beitrag zum Stickstoffkreislauf, kommt man auf etwa 140 Millionen Tonnen pro Jahr. Ungefähr die gleiche Menge Stickstoff ist in der Natur natürlicherweise gebunden. So begann der Mensch in relativ kurzer Zeit, maßgeblichen Einfluss auf den Stickstoffkreislauf in der Natur zu nehmen. Was werden die Konsequenzen sein? Jedes Ökosystem ist in der Lage, eine bestimmte Menge Stickstoff aufzunehmen, und die Folgen davon sind im Allgemeinen günstig – Pflanzen wachsen schneller. Wenn das Ökosystem jedoch gesättigt ist, beginnt Stickstoff in die Flüsse zu gelangen. Die Algenverschmutzung in Seen ist das größte stickstoffbedingte Umweltproblem. Stickstoff düngt die Seealgen, sie wachsen und verdrängen alle anderen Lebensformen.

Stickstoff zirkuliert unter dem Einfluss verschiedener chemischer und nichtchemischer Prozesse kontinuierlich in der Biosphäre der Erde, und kürzlich gebundener Stickstoff ist hauptsächlich durch menschliche Aktivitäten in die Atmosphäre gelangt.

Stickstoff ist einer der häufigsten Stoffe in Biosphäre, die schmale Hülle der Erde, die das Leben beherbergt. Somit bestehen fast 80 % der Luft, die wir atmen, aus diesem Element. Der meiste Luftstickstoff liegt in freier Form vor (siehe Chemische Bindungen), in der zwei Stickstoffatome zu einem Stickstoffmolekül – N 2 – verbunden sind. Da die Bindungen zwischen zwei Atomen sehr stark sind, können lebende Organismen molekularen Stickstoff nicht direkt nutzen – er muss zunächst in einen „gebundenen“ Zustand überführt werden. Im Gange Bindung Stickstoffmoleküle werden gespalten, wodurch einzelne Stickstoffatome an chemischen Reaktionen mit anderen Atomen, beispielsweise Sauerstoff, teilnehmen können und so verhindert wird, dass sie sich wieder zu einem Stickstoffmolekül verbinden. Die Bindung zwischen Stickstoffatomen und anderen Atomen ist schwach genug, um lebenden Organismen die Nutzung von Stickstoffatomen zu ermöglichen. Daher ist die Stickstofffixierung ein äußerst wichtiger Teil der Lebensprozesse auf unserem Planeten.

Der Stickstoffkreislauf besteht aus einer Reihe geschlossener, miteinander verbundener Pfade, durch die Stickstoff in der Biosphäre der Erde zirkuliert. Betrachten wir zunächst den Prozess der Zersetzung organischer Stoffe im Boden. Verschiedene Mikroorganismen extrahieren Stickstoff aus zersetzenden Materialien und wandeln ihn in die Moleküle um, die sie für den Stoffwechsel benötigen. Dabei wird der restliche Stickstoff in Form von Ammoniak (NH 3) oder Ammoniumionen (NH 4 +) freigesetzt. Andere Mikroorganismen binden diesen Stickstoff dann und wandeln ihn meist in die Form von Nitraten (NO 3 -) um. Dieser Stickstoff gelangt in Pflanzen (und schließlich in den Körper von Lebewesen) und ist an der Bildung biologischer Moleküle beteiligt. Nach dem Absterben des Organismus wird Stickstoff wieder in den Boden zurückgeführt und der Kreislauf beginnt von neuem. Während dieses Kreislaufs sind sowohl Stickstoffverluste möglich – wenn er in Sedimente eingeschlossen oder im Laufe des Lebens bestimmter Bakterien (sogenannte denitrifizierende Bakterien) freigesetzt wird – als auch ein Ausgleich dieser Verluste aufgrund von Vulkanausbrüchen und anderen Arten geologischer Aktivität.

Stellen Sie sich vor, dass die Biosphäre aus zwei miteinander verbundenen Stickstoffreservoirs besteht – einem riesigen (es enthält den in der Atmosphäre und den Ozeanen enthaltenen Stickstoff) und einem sehr kleinen (es enthält den in Lebewesen enthaltenen Stickstoff). Zwischen diesen Reservoirs gibt es einen schmalen Durchgang, in dem Stickstoff auf die eine oder andere Weise gebunden ist. Unter normalen Bedingungen gelangt Stickstoff aus der Umwelt über diesen Durchgang in biologische Systeme und kehrt nach dem Absterben biologischer Systeme in die Umwelt zurück.

Nennen wir ein paar Zahlen. Die Atmosphäre enthält etwa 4 Billiarden (4 10 15) Tonnen Stickstoff und die Ozeane enthalten etwa 20 Billionen (20 10 12) Tonnen. Ein kleiner Teil dieser Menge – etwa 100 Millionen Tonnen – wird jährlich gebunden und in lebende Organismen aufgenommen. Von diesen 100 Millionen Tonnen fixiertem Stickstoff befinden sich nur 4 Millionen Tonnen in pflanzlichen und tierischen Geweben – der Rest reichert sich in zersetzenden Mikroorganismen an und gelangt schließlich in die Atmosphäre zurück.

Der Hauptlieferant von gebundenem Stickstoff in der Natur sind Bakterien: Dank ihnen werden etwa 90 bis 140 Millionen Tonnen Stickstoff gebunden (genaue Zahlen gibt es leider nicht). Die bekanntesten stickstofffixierenden Bakterien kommen in den Knöllchen von Hülsenfrüchten vor. Die traditionelle Methode zur Steigerung der Bodenfruchtbarkeit basiert auf ihrer Verwendung: Zunächst werden Erbsen oder andere Hülsenfrüchte auf dem Feld angebaut, dann werden sie in den Boden gepflügt und der in ihren Knollen gebundene Stickstoff gelangt in den Boden. Anschließend wird das Feld mit anderen Nutzpflanzen besät, die diesen Stickstoff bereits für ihr Wachstum nutzen können.

Bei Gewittern wird ein Teil des Stickstoffs in einen gebundenen Zustand umgewandelt. Sie werden überrascht sein, aber Blitze kommen viel häufiger vor, als Sie denken – etwa hundert Blitze schlagen pro Sekunde ein. Während Sie diesen Absatz lasen, zuckten rund um die Welt etwa 500 Blitze. Eine elektrische Entladung erhitzt die umgebende Atmosphäre, Stickstoff verbindet sich mit Sauerstoff (es kommt zu einer Verbrennungsreaktion) und bildet verschiedene Stickoxide. Und obwohl dies eine ziemlich spektakuläre Form der Sequestrierung ist, werden damit nur 10 Millionen Tonnen Stickstoff pro Jahr erfasst.

Durch natürliche Prozesse werden so pro Jahr 100 bis 150 Millionen Tonnen Stickstoff gebunden. Im Zuge der menschlichen Tätigkeit wird auch Stickstoff gebunden und in die Biosphäre abgegeben (z. B. führt die gleiche Bepflanzung von Feldern mit Hülsenfrüchten zur Bildung von jährlich 40 Millionen Tonnen gebundenem Stickstoff). Zudem kommt es bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe in Stromgeneratoren und Verbrennungsmotoren zu einer Erwärmung der Luft, etwa bei einer Blitzentladung. Jedes Mal, wenn Sie Auto fahren, gelangen zusätzliche Mengen an gebundenem Stickstoff in die Biosphäre. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe werden jährlich etwa 20 Millionen Tonnen Stickstoff gebunden.

Den meisten gebundenen Stickstoff produziert der Mensch jedoch in Form von Mineraldüngern. Wie so oft bei den Errungenschaften des technischen Fortschritts verdanken wir die Technologie der Stickstofffixierung im industriellen Maßstab dem Militär. In Deutschland wurde vor dem Ersten Weltkrieg ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak (einer Form von festem Stickstoff) für den Bedarf der Militärindustrie entwickelt. Stickstoffmangel hemmt oft das Pflanzenwachstum, und Landwirte kaufen künstlich gebundenen Stickstoff in Form von Mineraldüngern, um die Erträge zu steigern. Heutzutage werden jedes Jahr etwas mehr als 80 Millionen Tonnen fixierter Stickstoff für die Landwirtschaft produziert (beachten Sie, dass er nicht nur für den Anbau von Nahrungspflanzen verwendet wird, sondern auch Vorstadtrasen und Gärten werden damit gedüngt).

Summiert man den gesamten menschlichen Beitrag zum Stickstoffkreislauf, kommt man auf etwa 140 Millionen Tonnen pro Jahr. Ungefähr die gleiche Menge Stickstoff ist in der Natur natürlicherweise gebunden. So begann der Mensch in relativ kurzer Zeit, maßgeblichen Einfluss auf den Stickstoffkreislauf in der Natur zu nehmen. Was werden die Konsequenzen sein? Jedes Ökosystem ist in der Lage, eine bestimmte Menge Stickstoff aufzunehmen, und die Folgen davon sind im Allgemeinen günstig – Pflanzen wachsen schneller. Wenn das Ökosystem jedoch gesättigt ist, beginnt Stickstoff in die Flüsse zu gelangen. Eutrophierung(Algenverschmutzung) von Seen ist möglicherweise das problematischste Umweltproblem im Zusammenhang mit Stickstoff. Stickstoff düngt die Algen im See, sie wachsen und verdrängen alle anderen Lebensformen im See, denn wenn die Algen absterben, wird fast der gesamte im Wasser gelöste Sauerstoff durch deren Zersetzung verbraucht.

Dennoch müssen wir zugeben, dass die Veränderung des Stickstoffkreislaufs bei weitem nicht das schlimmste Problem ist, mit dem die Menschheit konfrontiert ist. Diesbezüglich sagt Peter Witoshek, ein Ökologe an der Stanford University, der sich mit Pflanzen befasst: „Wir bewegen uns in Richtung einer grünen und unkrautreichen Welt, aber das ist keine Katastrophe.“ Es ist sehr wichtig, zwischen Katastrophe und Verschlechterung unterscheiden zu können.“

Stickstoff ist eines der Elemente, dessen Verhalten unter den Bedingungen der Erde eng mit biologischen Prozessen zusammenhängt. Der Großteil der Stickstoffreserven der Erde ist in der Atmosphäre konzentriert. Hunderte Millionen Tonnen Stickstoff sind in der Biomasse von Pflanzen und Tieren enthalten. Der Stickstoffgehalt in Kohle und anderen fossilen Brennstoffen, im Bodenhumus und in natürlichen Wasserbecken ist recht hoch.

Bei der Verrottung abgestorbener Pflanzenteile und anderer organischer Rückstände wird ein Teil des Stickstoffs bioorganischer Verbindungen durch hydrolytische Prozesse unter Beteiligung von Mikroorganismen in Ammoniak umgewandelt, das von pytrophen Bakterien in Salpetersäureionen umgewandelt wird. Kationen in Bodennitraten können K + , Na + , NH, Ca 2+ und andere weit verbreitete Kationen sein. Beim Zerfall verschiedener Reststoffe wandelt sich ein Teil des biologischen Stickstoffs in Distickstoff um und gelangt in die Atmosphäre. Es gibt auch denitrifizierende Bakterien im Boden, die Nitrate reduzieren und einen Teil des Nitratstickstoffs in einfache Stoffe umwandeln. Dadurch verliert der Boden kontinuierlich den für Pflanzen verfügbaren Stickstoff und gibt ihn an die Atmosphäre ab.

Der kontinuierliche Verlust von Stickstoffverbindungen im Boden hätte längst zu einem katastrophalen Stickstoffmangel für lebende Organismen führen müssen. In der Natur gibt es jedoch Mechanismen zur Umwandlung von Luftstickstoff in chemische Verbindungen. Zu diesen Prozessen gehören Blitzentladungen in der Atmosphäre, die eine gewisse Menge Stickoxide erzeugen. Unter anschließender Beteiligung von Sauerstoff und Wasser werden die Oxide in Salpetersäure umgewandelt. Es löst sich im atmosphärischen Wasser auf und gelangt damit in den Boden. Dabei reagiert Salpetersäure mit Carbonaten zu Nitraten. Dadurch wird der Nitratgehalt im Boden wieder aufgefüllt.

Eine weitere Quelle für die Erhöhung des Stickstoffgehalts im Boden ist die lebenswichtige Aktivität von Nitrobakterien, die Luftstickstoff direkt aufnehmen. Diese Bakterien enthalten das Enzym Nitrogenase, das die Stickstoffreduktion katalysiert. Nitrogenase wurde eingehend untersucht und es wurde festgestellt, dass dieses Enzym Molybdänatome enthält, die eine Schlüsselrolle bei der Stickstoffreduktion spielen. Nitrobakterien kommen in Knötchen an den Wurzeln von Pflanzen aus der Familie der Hülsenfrüchte vor (Abb. 20.4). Auch auf Erlenwurzeln kommen nitrifizierende Bakterien vor. Von Bakterien synthetisierte Stickstoffverbindungen werden auch von den Pflanzen selbst genutzt. Nitrobakterien können in einem Jahr bis zu 48 kg Stickstoff in organischen Verbindungen pro Hektar Land ansammeln.

Reis. 20.4.

Die Gegenprozesse der Stickstoffentfernung aus dem Boden in die Atmosphäre und deren Rückübertragung in den Boden in Form von Verbindungen bestimmen den Stickstoffkreislauf, dessen Diagramm in Abb. dargestellt ist. 20.5.

Reis. 20.5.

Durch die menschliche landwirtschaftliche Tätigkeit wird der Boden zusätzlich an Stickstoff und einigen anderen Elementen verarmt. Dieser Prozess nimmt aufgrund des rasanten Bevölkerungswachstums ständig zu. Die Erde muss immer größere Mengen an Nahrungsmitteln produzieren. Der Mensch war gezwungen, einen dritten Weg zu entwickeln, um den Stickstoff im Boden wieder aufzufüllen. Dabei werden dem Boden mineralische Stickstoffdünger zugesetzt. Der Stickstoff für diese Düngemittel stammt aus Ammoniak, dessen Produktion enorme Ausmaße erreicht hat. Zu den Substanzen, die zur Verwendung als Stickstoffdünger hergestellt werden, gehören Ammoniumnitrat, Ammoniumsulfat, Natriumnitrat und Calciumnitrat. Die weltweite Produktion von Stickstoffdüngern, gemessen am Stickstoffgehalt, erreicht 100 Millionen Tonnen pro Jahr.

12.2. Kreislauf von Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff

Der Stickstoffkreislauf (Abbildung 12.2) ist einer der komplexesten Kreisläufe in der Natur. Deckt die gesamte Biosphäre sowie die Atmosphäre, Lithosphäre und Hydrosphäre ab. Mikroorganismen spielen im Stickstoffkreislauf eine sehr wichtige Rolle. Im Stickstoffkreislauf werden folgende Phasen unterschieden:

Stufe 1 (Stickstofffixierung): a) Stickstofffixierende Bakterien binden (fixieren) gasförmigen Stickstoff unter Bildung der Ammoniumform (NH und Ammoniumsalze) – das ist biologische Fixierung; b) Durch Blitzentladungen und photochemische Oxidation entstehen Stickoxide, die bei Wechselwirkung mit Wasser Salpetersäure bilden, die im Boden in Nitratstickstoff umgewandelt wird.

Stufe 2 – Umwandlung in pflanzliches Protein. Beide Formen (Ammonium und Nitrat) des fixierten Stickstoffs werden von Pflanzen aufgenommen und in komplexe Proteinverbindungen umgewandelt.

Stufe 3 – Umwandlung in tierisches Protein. Tiere fressen Pflanzen und in ihrem Körper werden pflanzliche Proteine ​​in tierische Proteine ​​umgewandelt.

Stufe 4 – Proteinabbau, Verrottung. Stoffwechselprodukte von Pflanzen und Tieren sowie Gewebe abgestorbener Organismen zersetzen sich unter dem Einfluss von Mikroorganismen zu Ammonium (Ammonifikationsprozess).

Stufe 5 – Nitrifikationsprozess. Ammoniakstickstoff wird zu Nitrit- und Nitratstickstoff oxidiert.

Stufe 6 – Denitrifikationsprozess. Unter dem Einfluss denitrifizierender Bakterien wird Nitratstickstoff zu molekularem Stickstoff reduziert, der in die Atmosphäre gelangt. Der Kreis schließt sich.

Abbildung 12.2 – Strukturdiagramm des Stickstoffkreislaufs

(nach N.I. Nikolaikin, 2004)

Anthropogene Auswirkungen auf den Stickstoffkreislauf sind wie folgt:

1 Die industrielle Nutzung von Stickstoff zur Herstellung von Ammoniak erhöht die Gesamtmenge des natürlich gebundenen Stickstoffs um etwa 10 %.

2 Der weit verbreitete Einsatz von Stickstoffdüngern, der über den Bedarf der Pflanzen hinausgeht, führt zu Umweltverschmutzung, während ein Teil des überschüssigen Stickstoffs in Gewässer geschwemmt wird, was zu dem gefährlichen Phänomen der „Eutrophierung“ führt. Es verursacht eine sekundäre Verschmutzung der Gewässer, eine Störung des Stoffkreislaufs und Veränderungen ihres trophischen Status.

Sauerstoffkreislauf begleitet von seinem Zu- und Abfluss.

Die Ankunft von Sauerstoff beinhaltet: 1) Sekretion während der Photosynthese; 2) Bildung in der Ozonschicht unter dem Einfluss von UV-Strahlung (in geringen Mengen); 3) Dissoziation von Wassermolekülen in den oberen Schichten der Atmosphäre unter dem Einfluss von UV-Strahlung; 4) Bildung von Ozon – O 3.

Verbrauch Sauerstoff beinhaltet: 1) Verzehr durch Tiere während der Atmung; 2) oxidative Prozesse in der Erdkruste; 3) Oxidation von Kohlenmonoxid (CO), das bei Vulkanausbrüchen freigesetzt wird.

Der Sauerstoffkreislauf ist eng mit dem Kohlenstoffkreislauf verbunden.

Kohlenstoffzyklus(Abbildung 12.3). Die Masse an Kohlendioxid (CO 2) in der Atmosphäre wird auf 10 12 Tonnen geschätzt.

Die Ankunft von Kohlendioxid umfasst: 1) Atmung lebender Organismen; 2) Zersetzung abgestorbener Organismen von Pflanzen und Tieren durch Mikroorganismen, der Fermentationsprozess; 3) anthropogene Emissionen aus der Kraftstoffverbrennung; 4) Abholzung.

Der Kohlendioxidverbrauch umfasst: 1) Fixierung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre während der Photosynthese unter Freisetzung von Sauerstoff; 2) Verbrauch eines Teils des Kohlenstoffs durch Tiere, die pflanzliche Nahrung fressen; 3) Fixierung von Kohlenstoff in der Lithosphäre (Bildung organischer Gesteine ​​– Kohle, Torf, Ölschiefer sowie Bodenbestandteile wie Humus); 4) Fixierung von Kohlenstoff in der Hydrosphäre (Bildung von Kalksteinen, Dolomiten).

Der allmähliche Anstieg des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre hat in Kombination mit anderen Gründen zum „Treibhauseffekt“ geführt, der sich auf den Wärmehaushalt und das Klima unseres Planeten auswirkt.

Neben den betrachteten Elementen spielen auch Phosphor, Schwefel und Eisen eine große Rolle im allgemeinen Stoffkreislauf der Natur.

Abbildung 12.3 – Strukturdiagramm des Kohlenstoffkreislaufs

(nach N.I. Nikolaikin, 2004)

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