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Stickstofffixierung

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Unter Stickstofffixierung versteht man allgemein jegliche Umwandlung des chemisch inerten Luftstickstoffs (N2) zu reduzierten Verbindungen, die reaktiver und insbesondere bioverfügbar sind. Der Prozess ist aufgrund der sehr stabilen Dreifachbindung molekularen Stickstoffs mit 946 Kilojoule pro Mol äußerst energieaufwändig. Es handelt sich um ein wichtiges Element des Stickstoffkreislaufs.

Man unterscheidet:

Inhaltsverzeichnis

Biologische Stickstofffixierung

Die biologische Stickstofffixierung ist weltweit die wichtigste Form der Fixierung. Sie macht ein Drittel bis zur Hälfte der Gesamtmenge aus und ist meist gemeint, wenn man von Stickstofffixierung spricht. Durch Mikroorganismen wird dabei atmosphärischer Stickstoff zu Ammoniak (NH3) reduziert. Für diese Reaktion ist allerdings ein Nitrogenase-Enzym-Komplex und Energie (16 bis 24 Moleküle ATP) notwendig.

N_2 + 8H^+ + 8e^- \rightarrow 2 NH_3 + H_2 \!

Stickstofffixierer, also Mikroorganismen, die Stickstoff fixieren können, sind entweder freilebend oder leben in Symbiose mit Pflanzen. Bekannte freilebende Vertreter sind die Gattungen Azotobacter und Cyanobakterien, letztere fixieren den Stickstoff oft in spezialisierten Zellen, sogenannten Heterozysten. Die bekanntesten symbiontisch lebenden Fixierer sind die der Gattung Rhizobium (bei Leguminosen) und Frankia (bei verholzenden Pflanzen, z.B. Erlen).

Da diese Reaktion für die Zelle sehr energieaufwändig ist, wird sie streng reguliert und kommt nur zur Anwendung, wenn der Zelle keine andere Möglichkeit zur Stickstoffversorgung bleibt.

Siehe auch: Diazotrophie

Chemische Stickstofffixierung

Durch Blitzschlag bei Gewittern, Verbrennung und Vulkane: aus Stickstoff und Sauerstoff der Luft entstehen Stickoxide, die mit Wassertröpfchen in der Atmosphäre zu Salpetriger Säure bzw. Salpetersäure reagieren und als Saurer Regen in den Boden gelangen.

\mathrm{ N_2 + O_2 \quad \rightarrow \quad 2\,NO }
\mathrm{ 4\,NO + 3\,O_2 + 2\,H_2O \quad \rightarrow \quad 4\,HNO_3 }

Technische Stickstofffixierung

Nach dem Haber-Bosch-Verfahren kann N2 reduziert werden. Der Prozess benötigt eine Temperatur von 500°C, einen Druck von 450 bar und Katalysatoren. Die Reduktion ist ähnlich wie unter (2).
Meist wird dieser Ammoniak in nitrathaltige Düngemittel umgesetzt.

Weitere Bedeutung

Zudem wird mit dem Begriff Stickstofffixierung die Festlegung des Bodenstickstoffs in der organischen Substanz bezeichnet, wenn ein ungünstiges Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis (C/N-Verhältnis) vorliegt. Der Grund liegt hierbei im Stickstoffbedarf der abbauenden Mikroorganismen. So lässt sich bei der Ausbringung stickstoffarmer Mulchmaterialien wie Sägespäne, Holzhäcksel oder Rindenhäcksel ein Stickstoffmangel der Kulturpflanzen beobachten. Daher kann es günstig sein solche Materialien vorher zu kompostieren, oder zusätzlich einen Stickstoffdünger zu geben. Der gebundene Stickstoff wird mit dem Abbau der organischen Substanz langfristig wieder freigesetzt.

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