Stickstoff- und Phosphatkreislauf

Kate · Anmeldungsdatum: 08.05.2009 Beiträge: 2

Hallo ihr Lieben,
ich hätte einmal eine kurze Frage zum Thema Stickstoffkreislauf/Phosphatkreislauf im See. Da ich am Montag eine Bio-Klausur schreibe bin ich schon seit Tagen nur noch am lernen, aber einige Sachen hab ich nun doch noch nicht verstanden. Leider finde ich auch keine direkten Antworten auf meine Fragen im Internet, Lexika oder Schulbüchern, deshalb würde ich mich freuen, wenn ihr mir helfen könntet. Ich beziehe mich hierbei zum größten Teil auf einen eutrophen See.

Also, stickstoffhaltige Verbindungen werden ja entweder durch biologische oder durch menschliche(anthropogene) Einflüsse in ein Gewässer eingetragen. Dazu gehören zum einen Fallaub, Niederschläge oder die Diffusion mit der Luft und zum anderen nicht ausreichend geklärte Abwässer und Düngemittel aus der meist umliegenden Landwirtschaft. Da Pflanzen und Tiere den elementare Stickstoff nicht nutzen können, muss es zunächst umgewandelt werden, damit es verwertet werden kann. Ausnahmen hierbei stellen zum einen Cyanobakterien, auch als Blaualgen bezeichnet, oder die Bakteriengattung Frankia dar, die in Symbiose mit der Erle lebt. Diese sind nämlich in der Lage Stickstoff zu fixieren, um ihren eigenen Stoffwechselprozess zu erhalten.

Entsteht unter aeroben Bedingungen bei der Bindung von elementaren Stickstoff durch Cyanobakterien NH4+, dass durch die Nitrifikation wieder von Pflanzen genutzt werden kann?

Nun ja, tote organische Substanz sickert nun vom Epilimnion, in dem sich die meisten Lebewesen befinden, über das Metalimnion zum Hypolimnion zum Gewässerboden. Auf dem Weg dorthin wird der Detritus von aeroben Destruenten zersetzt, wobei zum einen Phosphat-Ionen, Ammoniak, das in Verbindung mit Wasser zu Ammonium reagiert und Kohlenstoffdioxid freigesetzt werden. Die Phosphat-Ionen werden von Pflanzen wieder zum Aufbau von ATP genutzt, das die Energie für die Glukosebildung liefert und somit zum Wachstum führt. Bei den Zersetzungsprozessen verbrauchen aerobe Destruenten Sauerstoff, sodass die Sauerstoffkonzentration im Metalimnion wesentlich geringer als im Epilimnion ist. Das entstandene und freigesetzte Ammonium wird lediglich von wenigen Pflanzen aufgenommen. In der Regel aber wird das Ammonium über den Prozess der Nitrifikation von Mikroorganismen über Nitrit (NO2-) zu Nitrat (NO3-) oxidert. Dieser Prozess ist nur unter aeroben Bedingungen möglich. Aus dem Nitrat gewinnen nitrifizierende Bakterien Energie, um Kohlenstoffdioxid in organische Substanz einzubinden. Somit kommt es im Epilimnion(Nährschicht) und teilweise auch im Metalimnion (Kompensationsebene), die vollständig und teilweise noch lichtdurchflutet sind zur Fotosynthese (6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2) und somit auch zur Vermehrung der Pflanzen in den oberen Schichten eines Gewässers.

Da aber nicht die gesamte tote organische Substanz in den oxidativen Schichten des Gewässers zersetzt werden, sickern die übrigen toten Organismen auf den Grund des Gewässers zum Hypolimnion. Dort herrscht in einem eutrophen See Sauerstoffmangel, sodass nicht aerobe sondern anaeroben Destruenten den Detritus zersetzen. Dabei werden wie bei aeroben Zersetzungprozessen Phophat-Ionen, Ammonium und CO2 freigesetzt. Die Phospaht-Ionen werden auch hier ebenfalls von Pflanzen aufgenommen und verwertet. Da im Hypolimnion wegen der Lichtintensität nur an der Grenze zwischen Hypo- und Metalimnion einige Pflanzen vorhanden sind, verweilt das Phosphat am sedimentnahen Gewässer. Unter aeroben Bedingungen könnte das viele Phosphat sich mit Eisen(Fe3+), das durch Gesteinsverwitterung der Bodenzone in das Gewässer gelangt, zu Eisen-III-Phosphat (FePO4) verbinden. Dieses ist ein schwerlösliches Salz und würde mithilfe von Sauerstoff im Sediment fixiert werden.
Unter anaeroben Bedingungen ist dieser Prozess nicht mehr möglich, da nicht genügend oder gar kein O2 vorhanden ist. Somit löst sich das Eisen-III-Phosphat wieder zu Eisen und Phosphat. Durch Reduktion eines Elektron wird Fe3+ zu Fe2+ überführt, welches sich anschließend wieder mit Phosphat zu Fe3(PO4)2 verbindet und somit ein leichtlösliches Salz darstellt. Dieses kann nicht im Sediment gespeichert werden und bleibt somit im Wasser erhalten.
Das entstandene Ammonium wird zu NO3- umgewandelt. (Ist das richtig? Anders konnte ich mir das nicht erklären), und somit zum Ausgangsstoff der Denitrifikation und der Nitratammonifikation. Beide Prozesse laufen nur unter anaeroben Bedingungen ab und werden zur Sauerstofferhaltung genutzt. Bei der Denitrifikation wird Ammonium über Lachgas (N2O) zu N2 reduziert, wobei Sauerstoff entzogen wird. Bei der Nitratammonifikation wird NO3- von bestimmten Mikroorganismen unter Abspaltung von Sauerstoff wieder zu Ammonium umgewandelt. Der Sauerstoff wird für den eigenen Stoffwechselprozess der Mikroorganismen verwendet.

Meine Frage: Wenn beide Prozesse nur unter anaeroben Bedingungen ablaufen können und somit auch nur anaerobe Mikroorganismen vorhanden sind, die ja eigentlich ohne Sauerstoff leben können - Wieso wird dann trotzdem Sauerstoff entzogen?

Das durch die Denitrifikation entstande N2 kann von Pflanzen und Tieren nicht genutzt werden und geht somit dem Kreislauf teilweise verloren. Durch die Stickstoff-Bindung der Cyanobakterien wird dieses dennoch verwertet, wobei jedoch toxische Stoffe entstehen und den See somit "vergiften".

Was passiert mit dem durch Nitratammonifikation entstandenen Ammonium? Wird dieses wieder zu NO3- überführt(wenn das überhaupt möglich ist)? Oder wird es einfach nur im Hypolimnion so lange gespeichert, bis es wieder zu einer Vollzirkulation kommt und sich somit wieder im gesamten Wasserkörper vermischen kann?

Da anaerobe Destruenten langsamer arbeiten als aerobe, sickert mehr tote organische Substanz in die Tiefenzone als zersetzt werden kann. Somit kommt es zu einer immer größeren Schlammschichtbildung.
Neben den vielen Nährsalzen, die beim Abbau von toter organischer Substanz freigesetzt werden, entweichen unter anaeroben Bedingungen giftige Stoffe, wie zum Beispiel Methan oder Schwefelwasserstoff, das die Lebewesen innerhalb des Sees töten und die Tiere außerhalb des Gewässers stark beeinträchtigen.
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Ich weiß, dass ich noch viel mehr zu den einzelnen Prozessen hätte schreiben können, vom Kohlenstoffkreislauf bis zum "Umkippen" des Sees, aber dann wäre der Text wahrscheinlich zu lang geworden. Ich hoffe das mein Text einigermaßen verständlich ist und wenn ihr irgendetwas anzufügen oder zu kritisieren habt, würde ich mich über eine Antwort freuen.

Natürlich wäre ich auch froh, wenn mir einer meine Fragen beantworten könnte^^

Liebe Grüße, Kate

PaGe · Moderator Anmeldungsdatum: 19.03.2007 Beiträge: 3549 Wohnort: Hannover

Kate · Anmeldungsdatum: 08.05.2009 Beiträge: 2

Okay, vielen herzlichen Dank für die Antworten, PaGe! Da hatte ich ja eine Menge nicht so richtig verstanden.

Aber eine Sache ist mir immer noch nicht so klar:
Ammonium entsteht ja auch beim Abbau von toter organischer Substanz unter anaeroben Bedingungen im Hypolimnion. Und wenn ich mir diese Abbildung zur Veranschaulichung zur Hilfe nehme http://www.zum.de/Faecher/Materialien/hupfeld/Aufgaben/Oekologie/N-Kreisl-See/N-Krl-See.gif verstehe ich nicht sorecht den Zusammenhang zwischen der Ammonifikation im Hypolimnion und dem NO3-, welches ja den Ausgangsstoff für die Denitrifikation und Nitratammonifikation darstellt.

Warum dem Nitrat trotz anerober Verhältnisse von fakultativen Anaerobier das Sauerstoffatom "entzogen" wird, habe ich (hoffentlich) einigermaßen verstanden.
Aber nur noch mal so zum Verständnis, wenn ich das jetzt richtig verstanden habe, nutzen die anaeroben Destruenten das Sauerstoffatom "O" aus dem Nitrat nicht für ihren eigenen Stoffwechsel, sondern um den Stoffwechselprozess innerhalb des Sees zu regulieren. (?)

Aber damit das NO3- erst überhaupt von den fakultativen Anaerobiern genutzt werden kann, muss das NH4+ doch erst nitrifiziert werden. Und dafür müsste es doch erst in die oxidative Deckschicht hochsteigen, um dann als NO3- wieder abzusinken (??) Da ja nun aber in der Sommerstagnation verschiedene Wasserschichten vorhanden sind und der See somit auch nicht zirkuliert wird, kann das NH4+ doch nicht einfach emporsteigen, um als NO3- wieder abzusinken.

PaGe · Moderator Anmeldungsdatum: 19.03.2007 Beiträge: 3549 Wohnort: Hannover