Der Stickstoffkreislauf

- von Mikroorganismen (Bakterien, Blaugrünalgen) fixiert werden  bzw.

- photochemisch in Nitrat und Stickoxide (NO_x) umgewandelt werden.

Die Luftstickstoffixierung läuft wie folgt ab:

          N₂               -->  2 N

          2 N  +  3 H₂  -->  2 NH₃

Um den Stickstoffkreislauf mehr anzureichern, ist die Wiederverwertung von Stickstoff aus Abfallstoffen ökologisch sinnvoll. Dies kann durch die Rückführung von Stickstoffverbindungen erreicht werden. 

Wenn der Stickstoff bereits in den Kreislauf eingeführt ist, wird die Wiederverwertung und Weiterverarbeitung des Stickstoffs von Mikroorganismen übernommen. Diese Mikroorganismen können Licht nicht als Energiequelle nutzen und sind daher auf andere Energiequellen angewiesen. Diese sogenannten "chemotrophen" Mikroorganismen gewinnen Ihre Energie aus der chemischen Bindungsenergie von (organischen oder anorganischen) Molekülen. Diese Methode der Energiegewinnnung wird als "Chemosynthese" bezeichnet.

Es wird zwischen verschiedenen Gattungen von Mikroorganismen unterschieden, und zwar nach ihren Umgebungsbedingungen.

- unter "aeroben" Bedingungen  (d.h. in sauerstoffreicher Umwelt) werden organische Moleküle wie Ammonium (NH₃) oder Aminosäuren (allgemeine Formel: R-CH(NH₂)-COOH) oxidiert (d.h. Reaktion mit Sauerstoff (O₂)). Beispiele für diese Reaktionen sind zum Beispiel die "Ammonifikation" oder die "Nitrifiaktion". 

Reaktionsgleichungen (beispielhaft):

Ammonifikation: (hier: Aminoessigsäure (Glycin) + Sauerstoff)

2 CH₂NH₂COOH + 3 O₂ --> 4 CO₂ + 2 H₂O + 2 NH₃

Nitrifikation:

2 NH₃ + 3 O₂  --> 2 H⁺ + 2 NO₂^- + H₂O 

2 NO₂^-  +  O₂  --> 2 NO₃^-

- unter "anaeroben" Bedingungen  (d.h. in sauerstoffarmer Umwelt, z.B. in eutrophen Gewässern) nutzen Bakterien das Nitration (NO₃^-) als Sauerstoffquelle, d.h. also dass Nitrat reduziert wird (Abgabe von Sauerstoff): Aus Nitrat ensteht Nitrit NO₂^- und hieraus das Ammoniumion  (NH₄⁺), "Nitratammonifikation". Schließlich erfolgt eine Umwandlung in elementaren Stickstoff (N₂), "Denitrifikation". Dieser kann nicht mehr für Lebewesen genutzt werden und kann in die Atmosphäre abgegen werden. 

Der Mensch greift durch den Anbau von Nutzpflanzen nachhaltig in den Stickstoffkreislauf ein. Bei der Ernte wird der Stickstoff mit den Pflanzen den Böden entzogen. Andererseits wird dem Ökosystem anthropogen Stickstoff durch Kunstdünger und durch Verbrennungsvorgänge (Freisetzung von Stickoxiden) gleichgewichtsstörend zugefügt. 

Abb.: Schematische Darstellung des Stickstoffkreislaufes

[Quelle: dtv-Atlas Ökologie, Deutscher Taschenbuch Verlag, 4. Auflage, 1998]