Stoffkreisläufe

Kohlenstoffkreislauf

Der Kohlenstoffkreislauf beschreibt den Austausch von Kohlenstoff zwischen verschiedenen Umweltkomponenten.
Er beginnt in der Atmosphäre als Kohlendioxid (CO₂), das durch Prozesse wie Atmung, Verbrennung fossiler Brennstoffe und industrielle Aktivitäten freigesetzt wird. Pflanzen nehmen CO₂ durch Photosynthese auf und wandeln es in organische Verbindungen um, während sie Sauerstoff abgeben. Diese organischen Verbindungen dienen als Nahrung für andere Lebewesen und können durch mikrobielle Aktivitäten im Boden abgebaut werden.
Ein Teil des Kohlenstoffs wird durch Atmung von Pflanzen und Tieren freigesetzt, während ein anderer Teil im Boden gespeichert oder als Biomasse in Pflanzen akkumuliert wird. Nach dem Tod von Pflanzen und Tieren kann Kohlenstoff in Form von organischem Material in den Boden gelangen, wo er entweder langfristig gespeichert oder zu fossilen Brennstoffen umgewandelt wird, die bei der Verbrennung CO₂ freisetzen.
Natürliche Prozesse wie der Abbau von organischem Material und geologische Prozesse wie Erosion beeinflussen ebenfalls den Kohlenstoffkreislauf.

Abb. 1: Kohlenstoffkreislauf

Kurzfristiger Kohlenstoffkreislauf:
Der kurzfristige Kohlenstoffkreislauf umfasst den schnellen Austausch von Kohlenstoff zwischen Atmosphäre, Ozeanen, terrestrischen Ökosystemen und Biomasse. Dies geschieht durch Prozesse wie die Aufnahme von Kohlendioxid (CO₂) durch Pflanzen während der Photosynthese, wodurch es in organische Verbindungen umgewandelt wird. Diese Verbindungen dienen als Nahrung und werden durch Atmung und Abbau von organischem Material wieder freigesetzt. Dieser Kreislauf spielt eine wichtige Rolle im täglichen Kohlenstoffaustausch und vollzieht sich innerhalb weniger Jahre bis Jahrzehnte.
Langfristiger Kohlenstoffkreislauf:
Der langfristige Kohlenstoffkreislauf beschreibt die Bewegung von Kohlenstoff über Hunderte bis Millionen von Jahren. Ein Teil des organischen Materials, das durch Photosynthese erzeugt wird, bleibt über lange Zeiträume im Boden oder in Sedimenten gespeichert. Unter bestimmten Bedingungen kann dieser Kohlenstoff zu fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdöl und Erdgas umgewandelt werden, die durch geologische Prozesse entstehen. Diese fossilen Brennstoffe werden durch menschliche Aktivitäten verbrannt, wodurch der Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre gelangt. Der langfristige Kohlenstoffkreislauf beeinflusst die globale Kohlenstoffbilanz und das Klima über lange Zeiträume.

Stickstoffkreislauf

Der Stickstoffkreislauf ist ein lebenswichtiger Prozess, der die Verfügbarkeit von Stickstoff, einem essenziellen Element für das Leben, in verschiedenen Formen innerhalb der Umwelt reguliert.

Er beginnt in der Atmosphäre, wo Stickstoffgas (N₂) den größten Anteil der Luft ausmacht. Durch Prozesse wie der Stickstofffixierung durch Blitzentladungen oder durch spezielle Bakterien, die in der Lage sind, Stickstoff aus der Luft zu binden, wird N₂ in eine Form umgewandelt, die von Pflanzen aufgenommen werden kann, wie Ammonium (NH₄⁺) oder Nitrat (NO₃^-). Pflanzen nehmen diese Stickstoffverbindungen aus dem Boden auf und nutzen sie für das Wachstum und die Entwicklung, da Stickstoff ein Schlüsselelement für die Synthese von Proteinen, DNA und anderen lebenswichtigen Molekülen ist.

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Abb. 2: Stickstoffkreislauf

Manche Pflanzen wie die Hülsenfrüchtler (Fabaceae) nutzen eine Beziehung mit stickstofffixierenden Symbionten wie den Knöllchenbakterien. So können sie besonders viel Stickstoff in ihren Früchten anreichern. Diese Pflanzen weisen daher einen hohen Proteingehalt auf.

Wenn Pflanzen und Tiere sterben oder organische Abfälle produzieren, wird der Stickstoff durch mikrobielle Zersetzung wieder in den Boden freigesetzt, wo er in Form von Ammonium von Bodenbakterien abgebaut wird. Dieses Ammonium wird dann, über das Zwischenprodukt Nitrit, weiter zu Nitrat umgewandelt, einem Prozess, der als Nitrifikation bekannt ist.

Ein Teil des Stickstoffs wird jedoch durch Denitrifikation zurück in die Atmosphäre freigesetzt, ein Prozess, bei dem Bakterien Nitrat in Stickstoffgas umwandeln. Dieser Rückfluss von Stickstoff in die Atmosphäre ist ein natürlicher Teil des Kreislaufs.

Energiefluss

Der Energiefluss in Ökosystemen beginnt in der Regel mit der Sonne als Hauptenergiequelle und erstreckt sich über verschiedene Trophieebenen, darunter Produzenten, Konsumenten und Destruenten.

Die Sonne liefert die primäre Energiequelle für praktisch alle Ökosysteme der Erde. Mittels Photosynthese wandeln Pflanzen und andere autotrophe Organismen Sonnenlicht in chemische Energie um, die in Form von organischen Verbindungen wie Kohlenhydraten gespeichert wird. Diese Produzenten bilden die Grundlage der Nahrungsketten und stellen Energie für höhere Trophieebenen bereit.
Konsumenten wie pflanzenfressende Tiere nutzen die energiereichen Pflanzen als Nahrungsquelle. Primäre Konsumenten werden von sekundären Konsumenten gefressen, die wiederum Tertiärkonsumenten als Nahrung dienen. Bei jeder Übertragung von einer Trophieebene zur nächsten wird Energie durch Stoffwechselprozesse in Wärme umgewandelt.

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Abb. 3: Energiefluss

Dies führt zu einer Abnahme der übertragenen Energiemenge von einer Trophieebene zur nächsten. Daher sind die höheren Trophieebenen in einem Ökosystem weniger zahlreich und divers als die Produzenten.
Destruenten wie Bakterien und Pilze zersetzen tote organische Materie und setzen dabei Energie frei, die wieder in den Nahrungskreislauf zurückfließt. Diese Organismen spielen eine entscheidende Rolle im Recycling von Nährstoffen und der Freisetzung von Energie für andere Organismen.