Definition: Was ist Stickstoff?
Stickstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol N und der Ordnungszahl 7. In der Erdatmosphäre kommt er überwiegend als zweiatomiges Molekül N₂ vor und macht dort den größten Anteil der Luft aus. Stickstoff ist ein grundlegender Baustein des Lebens, weil er unter anderem Bestandteil von Proteinen, Aminosäuren und der Erbsubstanz ist.
Obwohl die Atmosphäre sehr viel Stickstoff enthält, können die meisten Pflanzen und Tiere molekularen Luftstickstoff nicht direkt nutzen. Er muss zunächst in reaktive Stickstoffverbindungen umgewandelt werden. Diese Umwandlungen sind Teil des natürlichen Stickstoffkreislaufs und werden vor allem von Mikroorganismen durchgeführt.
Stickstoff in der Atmosphäre
Die Atmosphäre besteht zu rund vier Fünfteln aus molekularem Stickstoff. Das N₂-Molekül besitzt eine sehr stabile chemische Bindung und reagiert deshalb unter normalen Umweltbedingungen nur langsam.
Diese geringe Reaktivität erklärt, warum Luftstickstoff trotz seiner großen Menge für viele Organismen nicht unmittelbar verfügbar ist.
Molekularer Stickstoff
Molekularer Stickstoff besteht aus zwei miteinander verbundenen Stickstoffatomen. Die starke Dreifachbindung zwischen ihnen macht das Molekül chemisch besonders stabil.
Um Stickstoff biologisch nutzbar zu machen, muss diese Bindung aufgebrochen und der Stickstoff in andere Verbindungen überführt werden.
Bedeutung für Lebewesen
Stickstoff ist für alle Lebewesen unverzichtbar. Er ist Bestandteil von Aminosäuren, aus denen Proteine aufgebaut sind.
Darüber hinaus kommt Stickstoff in DNA und RNA vor und ist damit unmittelbar an Speicherung und Weitergabe genetischer Informationen beteiligt.
Stickstoff in Pflanzen
Pflanzen benötigen Stickstoff insbesondere für Wachstum und Bildung von Blattmasse. Auch Chlorophyll und zahlreiche Enzyme enthalten Stickstoff.
Bei Stickstoffmangel wachsen Pflanzen häufig langsamer und ältere Blätter können sich gelblich verfärben.
Der Stickstoffkreislauf
Der Stickstoffkreislauf beschreibt die Umwandlung und Bewegung von Stickstoff zwischen Atmosphäre, Böden, Gewässern und Lebewesen.
Mehrere mikrobielle Prozesse sorgen dafür, dass Stickstoff in unterschiedliche chemische Formen überführt wird.
Stickstofffixierung
Bei der biologischen Stickstofffixierung wandeln bestimmte Bakterien molekularen Luftstickstoff in biologisch nutzbare Stickstoffverbindungen um.
Einige dieser Mikroorganismen leben frei im Boden, andere in enger Symbiose mit Pflanzen.
Knöllchenbakterien
Bestimmte Hülsenfrüchtler wie Erbsen, Bohnen und Klee leben in Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien.
Die Bakterien befinden sich in sogenannten Wurzelknöllchen und versorgen die Pflanze mit nutzbaren Stickstoffverbindungen.
Leguminosen
Leguminosen können dadurch auch auf vergleichsweise stickstoffarmen Böden gut wachsen.
In landwirtschaftlichen Fruchtfolgen werden sie häufig genutzt, um Stickstoff in das Anbausystem einzubringen.
Ammonium
Ammonium ist eine reaktive Stickstoffverbindung mit der chemischen Formel NH₄⁺. Es entsteht unter anderem beim Abbau organischer Substanz.
Pflanzen können Ammonium direkt als Nährstoff aufnehmen.
Ammonifikation
Beim mikrobiellen Abbau stickstoffhaltiger organischer Stoffe wird organisch gebundener Stickstoff in Ammonium umgewandelt.
Dieser Prozess wird als Ammonifikation bezeichnet.
Nitrifikation
Bei der Nitrifikation wird Ammonium unter sauerstoffreichen Bedingungen zunächst zu Nitrit und anschließend zu Nitrat oxidiert.
Der Prozess wird von spezialisierten Mikroorganismen durchgeführt.
Nitrit und Nitrat
Nitrit ist eine Zwischenstufe der Nitrifikation. Es wird unter geeigneten Bedingungen rasch zu Nitrat weiteroxidiert.
Nitrat ist gut wasserlöslich und wird von vielen Pflanzen leicht aufgenommen.
Nitrat im Boden
Nitrat ist aufgrund seiner guten Löslichkeit sehr mobil. Es wird kaum dauerhaft an Bodenpartikel gebunden.
Wird mehr Nitrat gebildet oder gedüngt, als Pflanzen aufnehmen können, kann es mit Sickerwasser in tiefere Bodenschichten verlagert werden.
Auswaschung
Die Nitrat-Auswaschung ist besonders in Zeiten relevant, in denen wenig Pflanzenwachstum stattfindet und gleichzeitig viel Wasser durch den Boden sickert.
Dadurch kann Nitrat in das Grundwasser gelangen.
Denitrifikation
Unter sauerstoffarmen Bedingungen können bestimmte Mikroorganismen Nitrat als Ersatz für Sauerstoff nutzen.
Dabei wird Nitrat schrittweise zu gasförmigen Stickstoffverbindungen umgewandelt.
Rückführung in die Atmosphäre
Ein Teil des Stickstoffs wird dabei letztlich wieder als N₂ freigesetzt und gelangt zurück in die Atmosphäre.
Die Denitrifikation schließt damit einen wichtigen Teil des natürlichen Stickstoffkreislaufs.
Lachgas
Bei Nitrifikation und Denitrifikation kann Distickstoffmonoxid N₂O entstehen, das als Lachgas bezeichnet wird.
Lachgas ist ein stark wirksames Treibhausgas und besitzt außerdem Bedeutung für die Chemie der Stratosphäre.
Landwirtschaftliche Emissionen
Landwirtschaftlich genutzte Böden gehören zu wichtigen Lachgasquellen. Hohe Stickstoffeinträge und feuchte Bodenbedingungen können die Bildung fördern.
Eine bedarfsgerechte Düngung kann dazu beitragen, unnötige Emissionen zu reduzieren.
Stickstoffdüngung
Stickstoff ist häufig ein begrenzender Nährstoff für das Pflanzenwachstum. Deshalb werden in der Landwirtschaft organische und mineralische Stickstoffdünger eingesetzt.
Ziel ist es, den Pflanzen ausreichend Stickstoff für hohe und stabile Erträge zur Verfügung zu stellen.
Mineralischer Stickstoffdünger
Mineralische Dünger enthalten Stickstoff beispielsweise als Nitrat, Ammonium oder Harnstoff.
Sie können gezielt dosiert werden, führen bei übermäßiger Anwendung jedoch zu erhöhten Verlusten in Luft und Wasser.
Haber-Bosch-Verfahren
Ein großer Teil des mineralischen Stickstoffdüngers wird mithilfe industriell erzeugten Ammoniaks hergestellt.
Beim Haber-Bosch-Verfahren reagieren Stickstoff aus der Luft und Wasserstoff unter hohem Druck und hoher Temperatur zu Ammoniak.
Energiebedarf
Die industrielle Ammoniakherstellung benötigt erhebliche Energiemengen. Traditionell stammt der benötigte Wasserstoff überwiegend aus fossilen Energieträgern.
Dadurch verursacht die Herstellung von Stickstoffdüngern relevante Treibhausgasemissionen.
Organischer Dünger
Gülle, Mist, Kompost und andere organische Dünger enthalten ebenfalls Stickstoff.
Ein Teil liegt direkt als Ammonium vor, während anderer Stickstoff zunächst mikrobiell aus organischen Verbindungen freigesetzt werden muss.
Nährstofffreisetzung
Die Geschwindigkeit der Freisetzung hängt von Temperatur, Feuchtigkeit und Zusammensetzung des organischen Materials ab.
Dadurch ist die zeitliche Abstimmung mit dem Pflanzenbedarf schwieriger als bei manchen Mineraldüngern.
Überdüngung
Werden Ökosystemen dauerhaft mehr Stickstoffverbindungen zugeführt, als Pflanzen und Böden aufnehmen können, kommt es zur Überdüngung.
Dies kann sowohl landwirtschaftliche Flächen als auch natürliche Ökosysteme betreffen.
Nährstoffüberschüsse
Überschüssiger Stickstoff kann als Nitrat ausgewaschen, als Ammoniak freigesetzt oder in Form von Lachgas emittiert werden.
Dadurch entstehen Belastungen für Wasser, Luft, Klima und Biodiversität.
Stickstoff und Grundwasser
Hohe Nitratkonzentrationen im Grundwasser entstehen häufig durch landwirtschaftliche Stickstoffüberschüsse.
Da Grundwasser sich nur langsam erneuert, können Belastungen über lange Zeit bestehen bleiben.
Trinkwasser
Grundwasser ist in vielen Regionen eine wichtige Quelle für Trinkwasser. Hohe Nitratgehalte können daher zusätzliche Aufbereitung oder die Nutzung anderer Wasserquellen notwendig machen.
Vorbeugender Gewässerschutz ist deshalb besonders wichtig.
Stickstoff in Oberflächengewässern
Stickstoffverbindungen gelangen über Flüsse, Abwasser, Drainagen und Oberflächenabfluss in Seen und Küstengewässer.
Dort können sie das Wachstum von Algen und Wasserpflanzen fördern.
Eutrophierung
Übermäßige Nährstoffeinträge können zu Eutrophierung führen. Starke Algenblüten und die anschließende Zersetzung organischer Substanz können Sauerstoffmangel verursachen.
Besonders in Küstengewässern spielt Stickstoff häufig eine wichtige Rolle bei solchen Prozessen.
Ammoniak
Ammoniak NH₃ ist eine gasförmige reaktive Stickstoffverbindung. Bedeutende Emissionsquellen liegen vor allem in Tierhaltung und Düngung.
Ammoniak kann in der Atmosphäre transportiert und später auf Böden und Gewässern abgelagert werden.
Sekundärer Feinstaub
Ammoniak reagiert in der Atmosphäre mit sauren Verbindungen und kann dadurch Ammoniumsalze bilden.
Diese Salze sind Bestandteil des sekundären Feinstaubs.
Stickoxide
Stickoxide entstehen überwiegend bei Verbrennungsprozessen. Sie beeinflussen Luftqualität, Ozonbildung und die Bildung sekundärer Partikel.
Nach chemischer Umwandlung werden ihre Stickstoffbestandteile ebenfalls in Ökosysteme eingetragen.
Atmosphärische Stickstoffeinträge
Stickoxide und Ammoniak können über trockene oder nasse Ablagerung in Böden und Gewässer gelangen.
Dadurch werden auch weit entfernte Ökosysteme mit reaktivem Stickstoff belastet.
Stickstoff und Biodiversität
Viele natürliche Lebensräume sind an geringe Nährstoffverfügbarkeit angepasst. Dazu gehören Magerwiesen, Moore, Heiden und bestimmte Wälder.
Zusätzliche Stickstoffeinträge fördern häufig schnell wachsende Arten und verändern Konkurrenzverhältnisse.
Verlust nährstoffarmer Lebensräume
Spezialisierte Arten, die an nährstoffarme Bedingungen angepasst sind, können verdrängt werden.
Dauerhafte Stickstoffeinträge gehören deshalb zu wichtigen Ursachen für Veränderungen der Artenzusammensetzung.
Stickstoff und Bodenversauerung
Die Umwandlung bestimmter Stickstoffverbindungen kann Säure freisetzen. Langfristig kann dies zur Versauerung von Böden beitragen.
Besonders empfindlich sind Böden mit geringer natürlicher Pufferkapazität.
Nährstoffverluste
Versauerung kann dazu führen, dass wichtige Nährstoffe wie Calcium und Magnesium ausgewaschen werden.
Gleichzeitig können bestimmte Metalle stärker mobilisiert werden.
Stickstoff und Klimawandel
Der Stickstoffkreislauf steht in enger Verbindung mit dem Klimasystem. Besonders Lachgas trägt als langlebiges Treibhausgas zur Erwärmung bei.
Gleichzeitig beeinflusst Stickstoff das Pflanzenwachstum und damit die Aufnahme von Kohlendioxid.
Komplexe Wechselwirkungen
Zusätzlicher Stickstoff kann Pflanzenwachstum fördern und vorübergehend mehr Kohlenstoffbindung ermöglichen.
Dieser Effekt kann jedoch durch Lachgasemissionen, Biodiversitätsverluste und andere Umweltwirkungen teilweise aufgehoben werden.
Nachhaltiges Stickstoffmanagement
Ein nachhaltiges Stickstoffmanagement versucht, reaktiven Stickstoff möglichst effizient zu nutzen und Verluste zu minimieren.
In der Landwirtschaft bedeutet dies vor allem eine möglichst genaue Abstimmung von Düngung, Pflanzenbedarf, Bodenbedingungen und Wetter.
Kreislaufführung
Organische Reststoffe können Nährstoffe zurück in landwirtschaftliche Kreisläufe bringen.
Entscheidend ist jedoch, dass regional keine dauerhaften Überschüsse entstehen.
Zusammenfassung
Stickstoff ist ein lebensnotwendiges chemisches Element und Hauptbestandteil der Atmosphäre. Für die meisten Lebewesen wird er erst durch die Umwandlung in reaktive Stickstoffverbindungen biologisch nutzbar.
Der natürliche Stickstoffkreislauf wird durch Landwirtschaft, Verbrennung und industrielle Düngerproduktion stark beeinflusst. Überschüssiger reaktiver Stickstoff kann Grundwasser belasten, Gewässer eutrophieren, Feinstaub bilden, Böden versauern und Biodiversität beeinträchtigen. Ein effizienter Umgang mit Stickstoff ist deshalb ein wichtiger Bestandteil von Klima-, Gewässer-, Luft- und Naturschutz.
