Definition: Was sind Nährstoffe?
Nährstoffe sind chemische Stoffe, die Organismen für Wachstum, Energiegewinnung, Fortpflanzung und die Aufrechterhaltung ihrer Lebensfunktionen benötigen. Pflanzen, Tiere, Menschen und Mikroorganismen haben unterschiedliche Nährstoffansprüche, sind jedoch alle auf die Aufnahme bestimmter Elemente und Verbindungen angewiesen.
In Ökosystemen zirkulieren Nährstoffe zwischen Boden, Wasser, Luft und Lebewesen. Pflanzen nehmen mineralische Nährstoffe aus dem Boden oder Wasser auf und bauen sie in ihre Biomasse ein. Tiere erhalten sie über die Nahrung. Nach Ausscheidung oder Tod werden organische Stoffe von Mikroorganismen zersetzt und die enthaltenen Nährstoffe erneut freigesetzt.
Nährstoffe sind grundsätzlich lebensnotwendig. Ein Mangel begrenzt Wachstum und Gesundheit. Ein Überschuss kann jedoch ebenfalls schädlich sein. Übermäßige Nährstoffeinträge verändern Böden, Gewässer und natürliche Lebensgemeinschaften und gehören zu den bedeutenden Umweltproblemen.
Nährstoffe bei Pflanzen
Pflanzen bilden organische Substanz aus Kohlendioxid, Wasser und Mineralstoffen. Kohlenstoff stammt überwiegend aus der Luft, während mineralische Nährstoffe meist über die Wurzeln aufgenommen werden.
Die benötigten Elemente werden nach ihrer erforderlichen Menge in Haupt- und Spurennährstoffe eingeteilt. Die Einteilung sagt nichts über ihre Bedeutung aus. Auch ein Spurennährstoff kann unverzichtbar sein.
Hauptnährstoffe
Zu den wichtigsten Pflanzennährstoffen gehören Stickstoff, Phosphor, Kalium, Calcium, Magnesium und Schwefel. Sie werden in vergleichsweise großen Mengen benötigt.
Stickstoff ist Bestandteil von Aminosäuren, Eiweißen und Chlorophyll. Phosphor ist unter anderem für Energieübertragung, Zellmembranen und Erbmaterial wichtig. Kalium reguliert den Wasserhaushalt und aktiviert zahlreiche Enzyme.
Magnesium bildet das zentrale Atom des Chlorophylls. Calcium stabilisiert Zellwände und beeinflusst Stofftransport und Signalprozesse. Schwefel ist Bestandteil bestimmter Aminosäuren und Eiweiße.
Spurennährstoffe
Spurennährstoffe werden nur in geringen Mengen benötigt. Dazu gehören Eisen, Mangan, Zink, Kupfer, Bor, Molybdän, Chlor und Nickel.
Sie sind häufig Bestandteile von Enzymen oder ermöglichen bestimmte Stoffwechselreaktionen. Ein Mangel kann Wachstum und Ertrag deutlich beeinträchtigen, obwohl die absolute benötigte Menge gering ist.
Ein Überschuss mancher Spurenelemente wirkt giftig. Die Grenze zwischen ausreichender Versorgung und schädlicher Konzentration kann eng sein.
Nährstoffaufnahme durch Pflanzen
Pflanzen nehmen mineralische Nährstoffe überwiegend als gelöste Ionen aus dem Bodenwasser auf. Die Wurzeln vergrößern durch feine Wurzelhaare ihre Aufnahmefläche.
Die Verfügbarkeit hängt von Bodenfeuchtigkeit, Temperatur, Säuregrad und mikrobieller Aktivität ab. Ein Nährstoff kann im Boden vorhanden sein, aber in einer chemischen Form vorliegen, die Pflanzen nicht aufnehmen können.
Bedeutung des pH-Wertes
Der pH-Wert beeinflusst Löslichkeit und Bindung vieler Nährstoffe. In stark sauren Böden können Phosphor und bestimmte Spurenelemente festgelegt werden. Gleichzeitig können Aluminium und Mangan in pflanzenschädlichen Konzentrationen löslich werden.
In alkalischen Böden sind Eisen, Zink und andere Spurennährstoffe teilweise schlecht verfügbar. Eine an den Standort angepasste Bodenreaktion fördert deshalb eine ausgewogene Versorgung.
Mykorrhiza und Mikroorganismen
Viele Pflanzen leben in Gemeinschaft mit Mykorrhizapilzen. Deren feines Pilzgeflecht erschließt ein größeres Bodenvolumen und verbessert besonders die Aufnahme von Phosphor und Wasser.
Bakterien und andere Mikroorganismen wandeln organische Stoffe und mineralische Verbindungen um. Dadurch werden Nährstoffe freigesetzt, gebunden oder in andere chemische Formen überführt.
Der Stickstoffkreislauf
Stickstoff ist für Eiweißbildung und Wachstum unverzichtbar. Die Atmosphäre enthält große Mengen gasförmigen Stickstoff, doch die meisten Pflanzen können ihn nicht direkt nutzen.
Stickstofffixierung
Bestimmte Bakterien und Archaeen wandeln Luftstickstoff in Ammonium um. Einige leben frei im Boden, andere in Symbiose mit Pflanzen. Knöllchenbakterien besiedeln beispielsweise die Wurzeln von Hülsenfrüchtlern.
Auch technische Verfahren binden atmosphärischen Stickstoff. Auf diese Weise werden große Mengen mineralischer Stickstoffdünger hergestellt.
Mineralisierung und Nitrifikation
Beim Abbau organischer Substanz setzen Mikroorganismen Ammonium frei. Dieser Vorgang wird als Mineralisierung bezeichnet.
Andere Bakterien wandeln Ammonium zunächst in Nitrit und anschließend in Nitrat um. Dieser Prozess heißt Nitrifikation. Nitrat ist gut wasserlöslich und wird von vielen Pflanzen leicht aufgenommen.
Auswaschung und Denitrifikation
Wird Nitrat nicht von Pflanzen aufgenommen, kann es mit Sickerwasser in tiefere Bodenschichten und ins Grundwasser gelangen. Besonders in niederschlagsreichen Perioden und auf durchlässigen Böden ist die Auswaschungsgefahr hoch.
Unter sauerstoffarmen Bedingungen wandeln Mikroorganismen Nitrat in gasförmige Stickstoffverbindungen um. Dabei entstehen Stickstoff und teilweise Lachgas. Lachgas ist ein wirksames Treibhausgas.
Der Phosphorkreislauf
Phosphor ist Bestandteil von Erbmaterial, Zellmembranen und energiereichen Verbindungen. Im Gegensatz zu Stickstoff besitzt Phosphor keinen bedeutenden gasförmigen Kreislauf.
Er stammt überwiegend aus der Verwitterung phosphathaltiger Gesteine. Pflanzen nehmen gelöstes Phosphat auf. Nach dem Absterben wird es durch Zersetzung wieder freigesetzt.
Bindung im Boden
Phosphat wird im Boden stark an Mineralien gebunden. In sauren Böden verbindet es sich häufig mit Eisen- und Aluminiumverbindungen, in kalkreichen Böden mit Calcium.
Dadurch ist Phosphor wenig beweglich, aber nicht immer pflanzenverfügbar. Hohe Gesamtgehalte bedeuten deshalb nicht automatisch eine gute Versorgung.
Begrenzte Rohstoffvorräte
Mineralischer Phosphordünger wird aus phosphathaltigem Gestein hergestellt. Wirtschaftlich nutzbare Lagerstätten sind räumlich begrenzt und nicht erneuerbar.
Die Rückgewinnung aus Abwasser, Klärschlamm, Gärresten und organischen Abfällen gewinnt deshalb an Bedeutung. Ziel ist ein möglichst geschlossener Phosphorkreislauf.
Nährstoffe im Boden
Böden speichern Nährstoffe in mineralischer und organischer Form. Tonminerale und Humus können positiv geladene Ionen wie Kalium, Calcium und Magnesium binden.
Die Speicherkapazität hängt von Bodenart, Humusgehalt und pH-Wert ab. Sandige Böden besitzen häufig eine geringere Bindungsfähigkeit als ton- und humusreiche Böden.
Humus als Nährstoffspeicher
Humus entsteht aus umgewandelten Pflanzen- und Tierresten. Er speichert Nährstoffe, verbessert die Bodenstruktur und erhöht die Fähigkeit, Wasser zurückzuhalten.
Durch den mikrobiellen Abbau werden gebundene Nährstoffe nach und nach freigesetzt. Die Geschwindigkeit hängt von Temperatur, Feuchtigkeit, Sauerstoffversorgung und Zusammensetzung des Materials ab.
Nährstoffverluste
Nährstoffe können durch Ernte, Auswaschung, Erosion und gasförmige Emissionen verloren gehen. Werden Pflanzenprodukte von einer Fläche entfernt, verlassen auch die darin enthaltenen Elemente den Standort.
Erosion transportiert nährstoffreichen Oberboden in Gewässer. Ammoniak kann aus Düngemitteln und tierischen Ausscheidungen in die Luft entweichen. Eine nachhaltige Bewirtschaftung versucht, solche Verluste zu begrenzen.
Düngung
Düngung ersetzt entzogene Nährstoffe und soll eine ausreichende Pflanzenversorgung sicherstellen. Verwendet werden mineralische Dünger, Wirtschaftsdünger, Kompost und andere organische Materialien.
Mineralische Dünger
Mineralische Dünger enthalten Nährstoffe in konzentrierter und häufig schnell verfügbarer Form. Ihre Zusammensetzung kann gezielt an den Pflanzenbedarf angepasst werden.
Eine zu hohe oder zeitlich ungünstige Gabe erhöht die Gefahr von Auswaschung und gasförmigen Verlusten. Besonders Stickstoffdünger sollten deshalb auf Wachstum und Aufnahmefähigkeit der Pflanzen abgestimmt werden.
Organische Dünger
Gülle, Mist, Kompost und Gärreste enthalten Nährstoffe in organischer und mineralischer Form. Ein Teil wirkt unmittelbar, ein weiterer wird erst durch mikrobielle Zersetzung verfügbar.
Organische Dünger liefern zusätzlich Kohlenstoff und können den Humusaufbau unterstützen. Ihre Nährstoffgehalte schwanken jedoch stärker und müssen bei der Düngeplanung berücksichtigt werden.
Überdüngung
Überdüngung entsteht, wenn mehr Nährstoffe zugeführt werden, als Pflanzen und Boden aufnehmen oder speichern können. Überschüssiger Stickstoff und Phosphor gelangen dann in Luft, Grundwasser und Oberflächengewässer.
Eutrophierung von Gewässern
Ein hoher Nährstoffeintrag fördert das Wachstum von Algen und Wasserpflanzen. Dieser Prozess wird als Eutrophierung bezeichnet.
Sterben große Mengen Biomasse ab, wird beim mikrobiellen Abbau Sauerstoff verbraucht. In Seen, Flüssen und Küstengewässern können sauerstoffarme Bereiche entstehen, in denen Fische und andere Organismen kaum überleben.
Veränderung nährstoffarmer Lebensräume
Moore, Heiden, Magerwiesen und Trockenrasen sind an geringe Nährstoffverfügbarkeit angepasst. Zusätzlicher Stickstoff fördert hochwüchsige und konkurrenzstarke Pflanzen.
Kleine, langsam wachsende Arten werden beschattet und verdrängt. Dadurch sinkt die Pflanzenvielfalt, und spezialisierte Tierarten verlieren ihre Nahrungsgrundlage.
Nährstoffe in der menschlichen Ernährung
Auch Menschen benötigen Nährstoffe für Energie, Wachstum und Stoffwechsel. Dazu gehören Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße, Vitamine, Mineralstoffe und Wasser.
Makronährstoffe werden in größeren Mengen benötigt und liefern teilweise Energie. Mikronährstoffe wie Vitamine und Spurenelemente erfüllen regulatorische und strukturelle Funktionen.
Mangel und Überschuss
Eine unzureichende Versorgung kann Mangelerscheinungen hervorrufen. Eisenmangel beeinträchtigt beispielsweise die Bildung des roten Blutfarbstoffs, während Jodmangel die Schilddrüsenfunktion beeinflusst.
Auch eine übermäßige Aufnahme kann gesundheitsschädlich sein. Die Wirkung hängt von Art, Menge, Aufnahmeform und individueller Gesundheit ab.
Nährstoffmanagement
Ein nachhaltiges Nährstoffmanagement verbindet ausreichende Versorgung mit möglichst geringen Verlusten. Dazu gehören Bodenuntersuchungen, angepasste Fruchtfolgen, Zwischenfrüchte und bedarfsgerechte Düngung.
Kreislaufführung
Nährstoffe aus Ernteresten, Bioabfällen, Abwasser und tierischen Ausscheidungen können zurückgewonnen werden. Kompostierung und Vergärung führen organische Stoffe in die Landwirtschaft zurück.
Dabei müssen Schadstoffe, Krankheitserreger und Kunststoffreste begrenzt werden. Eine Kreislaufführung ist nur nachhaltig, wenn die zurückgewonnenen Materialien eine ausreichende Qualität besitzen.
Zusammenfassung
Nährstoffe sind lebensnotwendige chemische Stoffe, die Organismen für Wachstum, Energiegewinnung und Stoffwechsel benötigen. Pflanzen nehmen mineralische Nährstoffe wie Stickstoff, Phosphor, Kalium und Magnesium überwiegend aus dem Boden auf.
In Ökosystemen zirkulieren Nährstoffe zwischen Luft, Wasser, Boden und Lebewesen. Mikroorganismen steuern viele Umwandlungsprozesse und machen gebundene Stoffe wieder verfügbar.
Sowohl Nährstoffmangel als auch Überschuss können erhebliche Folgen haben. Überdüngung belastet Grundwasser und Gewässer, fördert Treibhausgasemissionen und verändert nährstoffarme Lebensräume. Ein nachhaltiges Nährstoffmanagement verbindet bedarfsgerechte Düngung, Verlustvermeidung und die Rückgewinnung wertvoller Elemente.
