Biogeochemie und Stickstoffkreislauf

Vokabeln und Kernkonzepte der Biogeochemie mit Fokus auf Nährstoff- und Stickstoffkreisläufe, basierend auf der Vorlesung.

Biogeochemie

Die wissenschaftliche Untersuchung der Stoff- und Energiekreisläufe zwischen den verschiedenen Erdsphären: Atmosphäre, Pedosphäre, Biosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre.

Unterschied zwischen Energie- und Stoffflüssen

Energie wird als Durchfluss betrachtet, da Wärme ($\text{dissipative heat}$) an die Umgebung verloren geht und nicht direkt recycelt werden kann, während Stoffflüsse als Kreisläufe beschrieben werden, da Materie recycelbar ist.

Nährstoffeinträge (Inputs)

Zufuhren in ein Ökosystem durch Verwitterung von Gestein ($\text{weathering of rocks}$), biologische Fixierung (Stickstoff, Kohlenstoff), Düngung ($\text{fertilization}$) und atmosphärische Deposition.

Nährstoffausträge (Outputs)

Verluste aus dem Ökosystem durch Freisetzung in die Atmosphäre (Spurengas-Emissionen), Austrag in Wasserläufe ($\text{leaching}$), Erosion durch Wind oder Wasser, Feuer und Ernte ($\text{harvest}$).

Interner Transfer

Umwandlungen innerhalb eines Systems, wie der Wechsel eines Nährstoffs zwischen organischen und anorganischen Formen, biologische Aufnahmeprozesse durch Pflanzen oder Mikroben sowie Ionenaustauschprozesse an Bodenoberflächen.

Industrielle Stickstofffixierung in Deutschland

Beträgt jährlich ca. $2700\,Gg\,N\,yr^{-1}$, wobei $1\,Gg = 1000$ Tonnen entspricht.

Critical Load für Stickstoff

Die Belastungsgrenze für den Stickstoffeintrag in Ökosysteme; laut UBA-Daten wird dieser Wert auf einem signifikanten Teil der Flächen in Deutschland überschritten (z. B. bei $6,0\%$ um $10-20\,kg\,N\,ha^{-1}\,a^{-1}$).

Planetary boundaries (Belastbarkeitsgrenzen)

Konzept von Rockström et al. (2009/2023), das sichere Handlungsspielräume der Menschheit definiert; für die biogeochemischen Kreisläufe von Stickstoff ($\text{Nitrogen}$) und Phosphor ($\text{Phosphorous}$) sind diese Grenzen bereits überschritten.

Paradox der Stickstofflimitierung

Obwohl Stickstoff ($N_2$) mit $78\%$ der Hauptbestandteil der Luft ist, limitiert er oft die terrestrische Nettoprimärproduktion ($NPP$), da die atmosphärische Form nicht direkt für die meisten Pflanzen verfügbar ist.

Hypothesen zur N-Limitierung (Vitousek & Howarth, 1991)

Stickstofffixierung wird durch Energieverfügbarkeit (Licht), Verfügbarkeit anderer Elemente (Phosphat für ATP, Molybdän, Eisen) und erhöhten Fraßdruck auf stickstoffreiche Pflanzen begrenzt.

Stickstoff aus Gesteinsverwitterung

Entdeckung nach Houlton et al. (2018), dass global bis zu $26\%$ des Stickstoffs in Ökosystemen aus der Verwitterung von Gestein stammen könnten, nicht nur aus der Atmosphäre.

Immobilisation (Immobilisierung)

Die Aufnahme (Assimilation) von anorganischem Stickstoff in mikrobielle Biomasse, was Energie verbraucht und für das Wachstum benötigt wird.

Mineralisation (Mineralisierung/Ammonifikation)

Die Umwandlung von organisch gebundenem Stickstoff in Ammonium ($NH_4^+$); eine energieliefernde Reaktion.

Nitrifikation

Die Oxidation von Ammonium ($NH_4^+$) zu Nitrat ($NO_3^-$). Dieser Prozess dient chemolithoautotrophen Bakterien ($\text{Nitroso-}$) und Archaeen zur Energiegewinnung.

Denitrifikation

Die Umwandlung von Nitrat ($NO_3^-$) in gasförmige Produkte unter sauerstoffarmen Bedingungen, wobei Nitrat als terminaler Elektronenakzeptor genutzt wird.

Anammox (ANaerobic AMMonium Oxidation)

Die anaerobe Oxidation von Ammonium nach der Reaktion $NH_4^+ + NO_2^- \rightarrow N_2 + 2H_2O$; ein chemolithoautotropher Prozess der Synproportionierung.

Direkte Kontrollfaktoren der Denitrifikation

Die Nitratkonzentration ($NO_3^-$), die Verfügbarkeit von labilem Kohlenstoff und die Sauerstoffkonzentration ($O_2$) im Boden.