ITool: Stickstoffkreislauf | Umweltbundesamt

Alle Lebewesen müssen Stickstoff aufnehmen und in ihrem Stoffwechsel umsetzen, damit ihr Organismus wächst und funktioniert. Die meisten von ihnen sind dafür aber auf fremde Hilfe angewiesen, denn den in großer Menge vorhandenen molekularen Luftstickstoff (N₂) können sie nicht verwenden. Die beiden Atome des Luftstickstoffs sind dafür zu fest miteinander verbunden.

Blitzschläge oder Vulkane können die Energie liefern, um die feste Verbindung des Luftstickstoffs zu lösen. Die getrennten Stickstoffatome reagieren zum Beispiel mit dem Luftsauerstoff zu Stickstoffoxiden (NOx) oder mit Regenwasser oder Wasserdampf zu Salpetersäure (HNO3). Auch gibt es einige spezialisierte Bakterienstämme, die Luftstickstoff direkt „verarbeiten“ können (vor allem Cyano- sowie Knöllchen- und Frankia-Bakterien). Dabei entsteht reaktiver Stickstoff in Form von Ammonium (NH4) bzw. Ammoniak (NH3), die verschiedene Bakterienstämme zu Nitrat (NO3-) umbauen können (Nitrifikation). Der natürliche Stickstoffkreislauf ist eröffnet.

Wichtiger Teil dieses Kreislaufs sind die Destruenten. Sie leben davon, organische Substanz wie Pflanzenreste, Tierkadaver oder tierische Ausscheidungen zu zersetzen. Den darin gebundenen Stickstoff wandeln sie in Ammonium um, das dann wieder für andere Organismen nutzbar ist.

Nitrat ist eine zentrale Stickstoffverbindung im Nährstoffkreislauf. Pflanzen können es als Nährstoff gut mit den Wurzeln aufnehmen. Auch verschiedene Bakterienstämme leben vom Nitrat. Einige verdauen Nitrat und Nitrit zu Ammonium und beziehen daraus die Energie für ihren Stoffwechsel. Andere können das Nitrat denitrifizieren und in mehreren Schritten wieder zu molekularem Luftstickstoff umbauen. So schließt sich der natürliche Stickstoffkreislauf.
Menschen und Tiere können Stickstoff dagegen nur über die Nahrung aufnehmen. Ihnen liefern Eiweiße (Proteine) aus der pflanzlichen oder tierischen Kost den lebensnotwendigen reaktiven Stickstoff.

Der Stickstoffkreislauf ist ein wichtiger Bestandteil im Nährstoffhaushalt von Ökosystemen. Er läuft im Boden ab, aber auch im Wasser von Bächen, Flüssen, Seen und Meeren. Dort wird der Stickstoffkreislauf noch durch die Anammox-Reaktion ergänzt. Bakterien verarbeiten dabei Ammonium (NH₄₊) und Nitrit (NO_2-), ohne Sauerstoff dafür zu nutzen. Die Produkte sind Wasser und Luftstickstoff (N₂). Auf den folgenden Bildern stellt das Kreissymbol den Stickstoffkreislauf im Wasser vereinfachend dar.

Der Mensch trägt sehr viel mehr Stickstoff in die Umwelt ein, als Pflanzen, Tiere und Mensch verwerten und Bakterien in Luftstickstoff zurückverwandeln können. Vor allem die Landwirtschaft beeinflusst die Stickstoffflüsse. Bei der Haltung von Rindern, Schweinen und Geflügel fallen Mist, Gülle und Jauche an. Diese sogenannten Wirtschaftsdünger enthalten reaktiven Stickstoff in Form von Harnstoff und Harnsäure, Ammonium und Ammoniak. Sie werden ebenso wie stickstoffhaltige Kunstdünger auf Wiesen und Feldern ausgebracht, um Getreide und Feldfrüchte oder auch Gräser mit Nährstoffen zu versorgen. 

Wenn Brennstoffe verbrannt werden, um Wärme oder Strom zu erzeugen, entstehen Stickstoffoxide. Bei den hohen Temperaturen verbindet sich der Luftstickstoff in der Brennkammer einer Feuerungsanlage mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff. Hinzu kommt, dass viele Brennstoffe selbst Stickstoff enthalten. Dieser gelangt bei der Verbrennung ebenfalls in Form von Stickstoffoxiden und Lachgas in die Luft.

Genau wie in den Feuerungsanlagen von Energiewirtschaft und Industrie sowie in den Kleinfeuerungen von Haushalten entstehen auch in den Motoren von Autos, Diesel-Lokomotiven, Schiffen und Flugzeugen Stickstoffoxide und Lachgas, wenn Treibstoffe verbrannt werden. 

Mit dem Abwasser werden die Fäkalien aus unseren Siedlungen abtransportiert. Sie enthalten unter anderem in großem Umfang stickstoffhaltigen Harnstoff oder Eiweiße. Um den Eintrag von Stickstoffen zu verringern, sind Kläranlagen mit Stufen zur Nitrifikation und Denitrifikation der Abwässer ausgerüstet. Auch im geklärten Wasser verbleiben aber Nitrat-Stickstoff und Ammonium-Stickstoff, das in Bäche und Flüsse eingeleitet wird. Außerdem entweicht bei der Denitrifikation neben Luftstickstoff auch klimaschädliches Lachgas in die Atmosphäre.