Stoffkreisläufe

Einige natürliche Stoffe wie Kohlenstoffdioxid und Wasser treten in mehreren Umweltbereichen auf und werden zwischen diesen ausgetauscht. Die dynamischen Austauschgleichgewichte eines Stoffs und die Umwandlung von Elementen in verschiedene Verbindungen werden durch Stoffkreisläufe beschrieben.
Durch langfristige Untersuchgungen der Stoffkreisläufe können Störungen der natürlichen Prozesse durch anthropogene Einflüsse nachgewiesen werden.

Es gibt Kreisläufe in der nicht lebenden und in der lebenden Natur. Häufig sind Organismen und die abiotische Natur durch Stoffaustauschprozesse miteinander verbunden. Stoffkreisläufe finden sowohl kleinräumig als auch weltweit statt.
Die transportierten Stoffe unterliegen dabei in unterschiedlichem Maße verschiedenen physikalischen, chemischen oder biogeochemischen Veränderungen.

In den Kreisläufen der Stoffe werden entweder nur der Weg eines chemischen Elements und seiner anorganischen und organischen Verbindungen betrachtet, z. B. beim Kreislauf des Stickstoffs oder aber der Weg nur einer, überall auf der Erde vorkommenden Verbindung eines Elements, z. B. bei den Kreisläufen des Kohlenstoffdioxids oder des Wassers.

Stoffkreisläufe lassen sich dort aufstellen, wo ein Element und seine Verbindungen an zahlreichen Umwandlungsprozessen, z. B. dem Stoffwechsel in Lebewesen, beteiligt sind. Wichtige Kreisläufe sind die Kreisläufe von Wasser, Stickstoff und Kohlenstoff.

Der Kreislauf des Stickstoffs

Stickstoff ist eines der Elemente, welche die Pflanzen in größeren Mengen benötigen. Es stellt oft den begrenzen den Faktor für das Wachstum dar. Eigentlich ist das Element Stickstoff in der Atmosphäre in ausreichendem Maße vorhanden. Die grünen Pflanzen können jedoch den Luftstickstoff nicht direkt verwerten. Einige Pflanzenarten (Leguminosen) bilden Symbiosen mit Knöllchenbakterien , die an der Wurzel dieser Pflanzen leben. Die Bakterien bereiten den Luftstickstoff auf, so dass er auch den Pflanzen zugänglich wird. Die Leguminosen zu denen auch die Lupine gehört, können aufgrund dieser Symbiose an nährstoffarmen Standorten wachsen. Sie werden u. a. als Gründüngung angebaut.
Bei Gewittern kommt es durch die Energie der elektrische Entladungen zur Bildung von Stickstoffoxiden. Da in der Luft stets Wasserdampf enthalten ist, können sich die Oxide mit diesem Wasser verbinden und salpetrige Säure bzw. Salpetersäure ausbilden. Diese Säurekonzentrationen sind natürlich sehr gering. Gelangen aber Niederschläge mit Spuren von Salpetersäure in den Erdboden, bilden sich die Salze der Salpetersäure, die Nitrate. Nitrate werden in gelöster Form von den Pflanzen besonders gut aufgenommen und u.a. zum Aufbau von Eiweißen verwertet. Der Anteil an diesen Nitraten im Boden ist aber relativ gering. Hauptsächlich stammen die verwertbaren Stickstoffverbindungen im Boden aus dem Abbau von toter organischer Substanz. Stickstoffhaltige Stoffe, wie das Eiweiß, werden zunächst in Ammoniumverbindungen umgewandelt. Dabei kann Ammoniak freigesetzt werden. Spezielle Bakterien wandeln diese Verbindungen in Nitrate um (Nitrifikation). Sie stehen damit den Pflanzen dann wiederum als Nährsalzionen zur Verfügung. Ein geringerer Teil der Nitrate wird weiter zu molekularem Stickstoff abgebaut (Denitrifikation), der in die Atmosphäre gelangt.

Der mit den Lebewesen verknüpfte Ablauf des Stickstoffkreislaufs lässt sich in vier Abschnitte unterteilen.

1. Fixierung des Luftstickstoffs:

Nur bestimmte Bakterien besitzen die passenden Enzyme, um den molekularen Stickstoff der Luft zu Ammoniak (Ammonium-Ionen) umzuwandeln. In einem zweiten Schritt wird Ammoniak dann von anderen Bakterienarten zu Nitrit- und Nitrat-Ionen oxidiert. Die Oxidation zu Nitrit- und weiter zu Nitrat-Ionen wird als Nitrifikation bezeichnet.

2. Assimilation von Stickstoff in Pflanzen:

Die meisten höheren Pflanzen nehmen mit dem Wasser aus dem Boden auch darin gelöste Ionen, z. B. Ammonium-, Nitrit- und Nitrat-Ionen auf. Diese Ionen werden in den Zellen der Pflanzen zu Aminosäuren umgewandelt. Aus diesen bildet sich pflanzliches Eiweiß.

3. Umwandlung von organischen Stickstoffverbindungen:

Tiere nehmen Eiweiße von Pflanzen oder anderen Tieren mit der Nahrung auf, zerlegen diese im Stoffwechsel und wandeln sie in körpereigene organische Stickstoffverbindungen um.

4. Umwandlung von organischen Stickstoffverbindungen in anorganische - Zersetzung:

Von Tieren ausgeschiedene organische Stickstoffverbindungen sowie die gesamte tote organische Substanz werden durch Bakterien und Pilze zersetzt. Die Mikroorganismen wandeln Eiweiße mithilfe von Sauerstoff in Ammoniumverbindungen um. Dieser Vorgang wird Verwesung genannt. Aus den Ammonium-Ionen werden durch Nitrifikation wieder Nitrit- und Nitrat-Ionen. Auch gasförmiges Ammoniak kann aus dem Boden entweichen.

Das Wasser der Erde

Etwa 71 % der Erdoberfläche sind von Wasser bedeckt.
Das gesamte Wasservolumen wird auf 1,39 Milliarden Kubikkilometer geschätzt.
Trotz dieser scheinbaren Unerschöpflichkeit der Vorräte ist Wasser ein kostbares Gut.
Ohne Wasser wäre die Erde ein toter Planet, denn das Leben hat sich im Wasser entwickelt. Auch heute benötigen alle Lebewesen auf der Erde Wasser. Die meisten biologischen Prozesse sind ohne Wasser nicht möglich. Aber auch in Haushalt und Industrie geht es nicht ohne Wasser.

Aber nicht nur die Weltmeere und die Eisflächen der Pole enthalten Wasser. Die meisten Wasserteilchen befinden sich in ständiger Bewegung. Flüssiges Wasser verdunstet, kondensiert in kälteren Luftschichten zu winzigen Wassertröpfchen oder erstarrt zu Eis.
Wasser fließt in Flüssen, aber auch im Erdboden.
In diesen Kreislauf des Wassers ist auch das Wasser in den Lebewesen, in Menschen, Tieren und Pflanzen, einbezogen.
Die Erde besitzt eine Wasserhülle - die Hydrosphäre.
Die Hydrosphäre beinhaltet das „sichtbare“ Wasser auf der Erdoberfläche, aber auch das in der Atmosphäre und in der Erdkruste befindliche „unsichtbare“ Wasser. Der Wasserkreislauf findet in der Hydrosphäre statt.
Das Wasser der Hydrosphäre kann, abhängig vor allem von den Temperaturen, in verschiedenen Aggregatzuständen auftreten.
In der Atmosphäre findet sich vor allem gasförmiges Wasser Wasserdampf.
Auf der Erdoberfläche gibt es abhängig von Klimazone, Höhe über dem Meeresspiegel und Jahreszeit flüssiges Wasser und festes Wasser - Eis.
Um Wasser in seine Aggregatzustände zu überführen, sind Energiezufuhr oder Energieabgabe notwendig.
Ablauf des Wasserkreislaufs
Der Kreislauf des Wassers kann in mehrere Teilkreisläufe unterteilt werden.

Die gesamte Zirkulation besteht aus zwei Teilen:

1. einem hydrologischen Kreislauf, der schnell verläuft und an dem vor allem der Wasserdampf der Atmosphäre beteiligt ist und
2. einem geologischen Kreislauf, der viele Jahre dauern kann und an dem auch das unterirdische Wasser beteiligt ist.

Abschnitte des Wasserkreislaufs:

1. Verdunsten von Wasser: Wasserdampf entsteht durch Energiezufuhr (Übergang in den gasförmigen Aggregatzustand).
2. Transport von Wasser in Form von Wasserdampf: Wasserdampf wird in Form von Wolken oder Luftfeuchtigkeit verfrachtet.
3. Niederschläge: Flüssiges Wasser in Form von Regen und festes Wasser in Form von Schnee und Eis gelangen zur Erdoberfläche.
4. Bildung von Oberflächenwasser: Niederschläge fließen oberirdisch ab oder gelangen in Meere, Seen, Teiche, Flüsse.
5. Versickerung: Niederschlagswasser dringt in den Boden ein, wird zu unterirdischem Wasser.
6. Grundwasserströmung/Rückfluss: Wasser fließt unterirdisch, tritt als Quellwasser zutage oder strömt in Flüsse, Seen und Meere zurück.

Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoff ist auf alle vier Umweltbereiche verteilt. Die Atmosphäre enthält ${\text{CO}}_{\text{2}},$ dazu vergleichsweise geringe Mengen CO und ${\text{CH}}_{\text{4}}.$ Im Wasser sind Carbonate und Hydrogencarbonate gelöst, dazu kommt biologischer Kohlenstoff der im Wasser lebenden Organismen. Die Geosphäre enthält Kohlenstoff in Carbonaten, dazu fossile Lagerstätten von Kohle, Erdöl und Erdgas. Die Biosphäre enthält Kohlenstoff in lebender und abgestorbener Biomasse. Der Austausch zwischen den Bereichen erfolgt hauptsächlich über ${\text{CO}}_{\text{2}}.$
Der natürliche Kohlenstoffkreislauf wird anthropogen beeinflusst. Durch Verbrennung gelangt zusätzlich ${\text{CO}}_{\text{2}}$ in die Atmosphäre. Das führt zum Anstieg des ${\text{CO}}_{\text{2}}$ Gehaltes in der Luft und zur Verstärkung des natürlichen Treibhauseffektes.