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Die Superkraft der Bakterien: Wie verwandeln sie Stickstoff aus der Luft in Nährstoffe für Pflanzen?
In unserem Leben gibt es einige Dinge, die oft übersehen werden, obwohl sie das Leben auf der Erde immer und überall beeinflussen. Stickstoff ist ein in der Natur weit verbreitetes Element und daher von offensichtlicher Bedeutung für das Pflanzenwachstum. Erstaunlich ist, wie dieser Stickstoff, der von den Pflanzen nicht direkt genutzt werden kann, in die Nährstoffe umgewandelt wird, die sie benötigen. Bakterien spielen bei diesem Prozess eine unverzichtbare Rolle.
Grundlegende Einführung in den Stickstoffkreislauf
Der Stickstoffkreislauf ist die biogeochemische Umwandlung von Stickstoff in verschiedene chemische Formen in der Atmosphäre sowie in terrestrischen und marinen Ökosystemen. Obwohl 78 % der Erdatmosphäre aus Stickstoff bestehen, liegt dieser nicht in einer Form vor, die Pflanzen direkt nutzen können. Daher hängt die effektive Nutzung von Stickstoff maßgeblich von der Umsetzung durch Mikroorganismen ab.
Stickstofffixierung
Im ersten Schritt des Stickstoffkreislaufs muss Stickstoffgas (N2) in Nitrat (NO3) oder Nitrit (NO2) umgewandelt werden, ein Prozess, der als Stickstofffixierung bezeichnet wird. Die Stickstofffixierung wird in der Natur hauptsächlich von Mikroorganismen, den sogenannten stickstofffixierenden Bakterien, durchgeführt, die über Enzyme verfügen, die Stickstoffgas in Ammoniak umwandeln können. Tatsächlich werden jedes Jahr etwa 500 bis 1000 Millionen Kilogramm Stickstoff durch Blitzeinschläge fixiert, der Großteil der Stickstofffixierung wird jedoch von diesen frei lebenden oder symbiotischen Bakterien durchgeführt.
Die Stickstofffixierung ist ein äußerst wichtiger Prozess in der Natur. Durch die Arbeit dieser Bakterien kann Stickstoff in eine für Pflanzen nutzbare Form umgewandelt werden, was das Pflanzenwachstum weiter fördert.
Stickstoffassimilation
Pflanzenwurzeln können Nitrate oder Ammoniumionen aus dem Boden aufnehmen. Dabei wird Nitrat zunächst in Nitrit und anschließend in Ammoniumionen umgewandelt, die wichtige Ausgangsstoffe für die von Pflanzen benötigten Aminosäuren, Nukleinsäuren und Chlorophyll sind.
Aminierung
Wenn Pflanzen oder Tiere sterben oder wenn Tiere Abfall produzieren, liegt Stickstoff zunächst in organischer Form vor. Beim Einwirken von Bakterien oder Pilzen wird dieser organische Stickstoff in Ammonium (NH4+) umgewandelt. Dieser Prozess wird als Ammonifikation oder Mineralisierung bezeichnet. Bei diesem Prozess spielen mehrere Enzyme eine wichtige Rolle, die dabei helfen, organischen Stickstoff in eine für Pflanzen nutzbare Form umzuwandeln. „Dieser Prozess ermöglicht es dem Organismus, Nährstoffe zu recyceln.“
Nitrifikation
Unter Nitrifikation versteht man den Prozess der Umwandlung von Ammonium in Nitrate, der hauptsächlich durch bestimmte Bakterien im Boden durchgeführt wird. Zunächst wird Ammoniak durch bestimmte Bakterien zu Nitriten oxidiert, die dann weiter in Nitrate umgewandelt werden. Durch diese Umwandlungsreihe wird Ammoniak in ungiftige Nitrate umgewandelt, die von Pflanzen sicher aufgenommen werden können.
Denitrifikation
Wenn der Stickstoffkreislauf fast abgeschlossen ist, werden durch Denitrifikation Nitrate in Stickstoffgas umgewandelt. Dieser Prozess findet hauptsächlich in einer anaeroben Umgebung statt und ist für bestimmte Bakterien verantwortlich. Diese Bakterien verwenden Nitrat als Elektronenakzeptor für die Atmung und wandeln es in Stickstoffgas um, das für Pflanzen nicht verwertbar ist. Dadurch kann der Stickstoffkreislauf vollständig funktionieren.
Der menschliche Einfluss auf den Stickstoffkreislauf
Menschliche Aktivitäten wie der übermäßige Einsatz von Düngemitteln und Industrieemissionen haben den globalen Stickstoffkreislauf erheblich verändert. Solche Veränderungen beeinträchtigen nicht nur die Gesundheit natürlicher Ökosysteme, sondern wirken sich auch negativ auf die menschliche Gesundheit aus. Da der Bedarf der Menschheit an Stickstoff steigt, wird das Gleichgewicht dieses Kreislaufs gefährdet.
„Bakterien spielen zwar eine beeindruckende Rolle bei der Umwandlung von Stickstoff, aber stören wir dieses natürliche Gleichgewicht unbeabsichtigt?“
Fazit
Die Superkräfte der Bakterien ermöglichen die Umwandlung von atmosphärischem Stickstoff in Nährstoffe, die Pflanzen brauchen, was nicht nur das Pflanzenwachstum unterstützt, sondern auch die Gesundheit des gesamten Ökosystems fördert. Aufgrund der Auswirkungen des Klimawandels und menschlicher Aktivitäten steht die Zukunft dieses Zyklus jedoch noch immer vor großen Herausforderungen. Können wir nachhaltige Wege finden, diese natürliche Ressource zu verwalten und zu nutzen und dabei das Leben und die Umwelt auf der Erde zu schützen?
