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<div id="stoffkreis" name="stoffkreis">
<h1><u>Ökosystem: Stoffkreisläufe in der Wakenitz</u></h1>
<div class="inhaltsverzeichnis">
<p>
<a href="#stick">1. Stickstoffkreislauf</a>
|
<a href="#phos">2. Phosphorkreislauf</a>
|
<a href="#kohle">3. Kohlenstoffkreislauf</a>
|
<a href="#schwefel">4. Schwefelkreislauf</a>
|
<a href="#silikat">5. Silikatgehalt</a>
|
<a href="#formel">6. Formelverzeichnis</a>
</p>
</div>
<div class="bildContainer">
<a href="images/stoffkreislauf.png" data-lightbox="stoffkreis" title="Stoffkreislauf">
<img src="images/stoffkreislauf.png" alt="Stoffkreislauf">
<p class="bildunterschrift">Stoffkreislauf</p>
</a>
</div>
<p>Einzellige und mehrzellige Organismen setzen sich aus einer Vielzahl anorganischer und organischer Stoffe zusammen, deren Zusammenspiel ihre Lebendigkeit ausmacht. Sie stehen darüber hinaus in einem regen Stoffaustauch mit ihrer Umgebung. Nach ihrem Tod geraten die Substanzen normalerweise in einen hauptsächlich von darauf spezialisierten Organismen bewerkstelligten Kreislauf, der dazu führt, dass aus der toten Biomasse von pflanzlichen Lebewesen im Prozess der Photosynthese benötigte Nährsalze und Kohlenstoffdioxid entstehen.</p>
<p>Einen Überblick gibt die Abbildung rechts.</p>
<p>Die wichtigsten Biomoleküle aller Lebewesen sind ihre Nukleinsäuren, Proteine, Kohlenstoffhydrate und Lipide. Diese setzen sich hauptsächlich aus den Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Schwefel (S) und Phosphor (P) zusammen (SCHNOP). </p>
<p>Die Kreisläufe von Stickstoff und seinen Verbindungen sowie der Kreislauf von Schwefelverbindungen spielen in der Wakenitz im Hinblick auf den Schilfrückgang eine besondere Rolle. Aus diesem Grund werden sie im Folgenden näher betrachtet.</p>
<!--STICKSTOFF-->
<h2 id="stick">1. Stickstoffumsetzungen in der Wakenitz</h2>
<div class="bildContainer">
<a href="images/stickstoffkreislauf.png" data-lightbox="stickkreis" title="Stickstoffkreislauf">
<img src="images/stickstoffkreislauf.png" alt="Stickstoffkreislauf">
<p class="bildunterschrift">Stickstoffkreislauf</p>
</a>
</div>
<p>Die wichtigsten anorganischen N-haltigen Pflanzennährstoffe sind Nitrat- (NO<sub>3</sub><sup>-</sup>) und Ammoniumionen (NH<sub>4</sub><sup>+</sup>). Die photosynthetisch aktiven Organismen benutzen diese Nährsalze um daraus Proteine, Proteide, Nukleinsäuren, ATP sowie Membranlipide aufzubauen. Im Konsumentennetz werden diese Stoffe zum Aufbau eigener Biomasse bzw. zur Energiegewinnung verwendet. Die dabei anfallenden Stoffwechselendprodukte Ammoniak (NO<sub>3</sub>), Harnstoff (N<sub>2</sub>H<sub>4</sub>CO) sowie Harnsäure treten genauso wie weitere N-haltige Ausscheidungsprodukte und abgestorbene Organismen in ein Kreislaufgeschehen ein, das von Destruenten gesteuert wird und abhängig ist von der Konzentration des Sauerstoffs im Abbaumilieu. Hohe Stickstoffeinträge in die Wakenitz sind über das etwa 270 km<sup>2</sup> große Wassereinzugsgebiet des Flusssystems, das zu 81 % - in der Regel konventionell, also unter hohem Mineraldünger- und Pestizideinsatz - landwirtschaftlich genutzt wird, zu verzeichnen. Auch die Luftverschmutzung leistet ihren Beitrag zur Stickstoffbelastung des Flusses. Interne Stickstoffeinträge erfolgen über N-fixierende Cyanobakterien und Grünalgen sowie über die den Luftstickstoff bindenden Fadenbakterien <i>Frankia spec.</i>, die symbiontisch mit der Erle in faustgroßen, korallenartigen Wurzelknollen leben (bis zu 100 <sup>g</sup>/<sub>ha</sub> und Jahr). </p>
<p>Wissenschaftliche Untersuchungen der letzten Jahre zeigen einen Zusammenhang zwischen der Fähigkeit der Schilfrhizome zur Stärkespeicherung in Abhängigkeit von der Ammonium- bzw. Nitratkonzentration im Substrat. Da die Menge an Reservestoffen das Regenerationsvermögen bestimmt, könnte hier ein Grund für den Schilfrückgang im Untersuchungsgebiet zu finden sein. Hohe Ammoniumwerte, die in der Regel in anoxischem Milieu auftreten, vermindern die Fähigkeit des Schilfrhizoms zur Stärkespeicherung, hohe Nitratwerte, die mit einem relativ hohen Sauerstoffgehalt im Sediment korrelieren, begünstigen diese.</p>
<p>Kurze Erläuterung zu den Stickstoffumwandlungsprozessen:</p>
<p><b>1 = Stickstoffassimilation. </b> Hierunter versteht man den Einbau von Ammonium und Nitrat in organische stickstoffhaltige Verbindungen dieser Organismen.</p>
<p><b>2 = Stickstofffixierung.</b> Der Stickstoff der Luft wird von Bakterien, Blaualgen und einigen Grünalgen aufgenommen, zu NH<sub>4</sub><sup>+</sup> reduziert und in dieser Oxidationsstufe in organische Verbindungen wie Aminosäuren eingebaut.</p>
<p><b>3 = Ammonifikation. </b>Der Abbau von Proteinen und Nukleinsäuren in toter Biomasse vornehmlich durch Bakterien (mikrobielle Destruenten) führt zur Bildung von Ammoniumionen bzw. Ammoniak.</p>
<p><b>4 = Nitrifikation. </b> Mikrobielle Umwandlung von Ammonium in Nitrit und Nitrat durch a) Nitrosomonas (Nitritbakterien, Nitritation) und b) Nitrobacter (Nitratbakterien, Nitratation)</p>
<p>a. NH<sub>4</sub><sup>+</sup> + 1 ½ O<sub>2</sub> → NO<sub>2</sub><sup>-</sup> + H<sub>2</sub>O + 2 H<sup>+</sup> ΔH = -319 <sup>kJ</sup>/<sub>mol</sub></p>
<p>b. NO<sub>2</sub><sup>-</sup> + ½ O<sub>2</sub> → NO<sub>3</sub><sup>-</sup> ΔH = -101 <sup>kJ</sup>/<sub>mol</sub></p>
<p><b>5= Denitrifikation. </b> Bei der Denitrifikation wird Nitrat über Nitrit zu Stickstoffoxiden (NO, N<sub>2</sub>O) und Stickstoff (N<sub>2</sub>) umgewandelt (reduziert). Der Vorgang wird auch als Nitratatmung bezeichnet und läuft in anoxischem Milieu ab.</p>
<p> NO<sub>3</sub><sup>-</sup> → NO<sub>2</sub><sup>-</sup> → NO → N<sub>2</sub>O → N<sub>2</sub></p>
<p><b>6 = Nitratammonifikation. </b> Bei der Nitratammonifikation wird Nitrat zu Nitrit reduziert, das sich im Medium anreichert. Der Energie liefernde Elektronen-Transport endet damit. Das Nitrit wird dann auf dem Weg der so genannten Nitritreduktion zu Ammonium reduziert, das ins Medium abgegeben wird.</p>
<p> NO<sub>3</sub><sup>-</sup> → NO<sub>2</sub><sup>-</sup> → NO → NH<sub>2</sub>OH → NH<sub>4</sub><sup>+</sup></p>
<p><a href="#"> ↑ nach oben</a></p>
<!--PHOSPHAT-->
<h2 id="phos">2. Mögliche Phosphorumsetzungen in der Wakenitz</h2>
<div class="bildContainer">
<a href="images/phosphatkreislauf.png" data-lightbox="phoskreis" title="Phosphorumsetzungen">
<img src="images/phosphatkreislauf.png" alt=""Stickstoff"Phosphorumsetzungen">
<p class="bildunterschrift">Phosphorumsetzungen</p>
</a>
</div>
<p> Dem Phosphor kommt in Form von ATP im Energiestoffwechsel und als Baubestandteil der Nukleinsäuren DNA und RNA in allen Lebewesen eine zentrale Rolle zu. Er tritt in diesen Verbindungen als Phosphatester bzw. in kondensierter Form auf. </p>
<p>In der unbelasteten Natur befinden sich Phosphate, ähnlich wie Nitrate, nur in geringen Konzentrationen und beschränken damit die Produktivität von Ökosystemen (Minimumgesetz von Liebig). </p>
<p>Die globale anthropogene Einbringung von Phosphat in Form von Düngemitteln entspricht etwa dem 5-fachen Wert der natürlichen. Da ein Teil dieses Phosphats aus den landwirtschaftlichen Böden in natürliche Ökosysteme eingetragen wird, kommt es hier zu Eutrophierungserscheinungen.</p>
<p><a href="#"> ↑ nach oben</a></p>
<!--KOHLE-->
<h2 id="kohle">3. Kohlenstoffumsetzungen in der Wakenitz</h2>
<p><a href="#"> ↑ nach oben</a></p>
<!--SCHWEFEL-->
<h2 id="schefel">4. Mögliche Schwefelumsetzungen in der Wakenitz</h2>
<div class="bildContainer">
<a href="images/schwefelkreislauf.png" data-lightbox="skreis" title="Schwefelumsetzungen">
<img src="images/schwefelkreislauf.png" alt=""Stickstoff"Schwefelumsetzungen">
<p class="bildunterschrift">Schwefelumsetzungen</p>
</a>
<a href="images/sulfurikation.png" data-lightbox="skreis" title="Sulfurikation">
<img src="images/sulfurikation.png" alt=""Stickstoff"Sulfurikation">
<p class="bildunterschrift">Sulfurikation</p>
</a>
<a href="images/bakteriellePhotosynthese.png" data-lightbox="skreis" title="bakterielle Photosynthese">
<img src="images/bakteriellePhotosynthese.png" alt=""Stickstoff"bakterielle Photosynthese">
<p class="bildunterschrift">bakterielle Photosynthese</p>
</a>
</div>
<p>In Organismen kommt Schwefel hauptsächlich in reduzierter Form (Oxidationsstufe -2) in den Thiolgruppen (Sulfhydrylgruppen, -SH) von Aminosäuren (Methionin, Cystein) vor und ist damit für den Aufbau von Proteinen unentbehrlich. Disulfidbrücken, die durch enzymatische Wasserstoffabspaltung aus zwei Cystein-SH-Resten einer über Peptidbindungen verknüpften Aminosäurekette entstehen, fixieren Tertiärstrukturen von Proteinen. Auch in Coenzymen, wie z.B. Acetyl-CoA und Biotin sowie in Eisen-Schwefel-Zentren von Proteinen tritt Schwefel als Elementbaustein auf. </p>
<p>Im Folgenden werden die Abkürzungen R-SH und R-S-R für S-haltige organische Verbindungen benutzt.</p>
<p>Kurze Erläuterungen zu den Umwandlungsprozessen S-haltiger Stoffe:</p>
<p><b>1 = assimilatorische Sulfatreduktion.</b> Die Primärproduzenten nehmen Sulfat aus dem Wasser auf. Sulfat kommt ursprünglich aus verschiedenen Gesteinsarten (heute auch aus mineralstoffgedüngten Feldern), aus dem es durch Wasser herausgelöst wurde und wird. Sulfat muss dann reduziert werden, damit es in organische Verbindungen eingebaut werden kann.</p>
<p><b>2 = Desulfuration.</b> Beim Abbau der schwefelhaltigen organischen Verbindungen durch Destruenten entsteht Schwefelwasserstoff (H<sub>2</sub>S).</p>
<p><b>3 = Chemische Oxidation.</b> Rein chemische Oxidation von Schwefelwasserstoff zu Sulfat in oxischem Milieu.</p>
<p><b>4 = Sulfurikation.</b> Chemoautotrophe Bakterien benutzen Schwefelwasserstoff zur Oxidation, wobei die freigesetzte Oxidationsenergie in Form von ATP und NADPH + H<sup>+</sup> konserviert werden kann.</p>
<p><b>5 = Metallsulfidbildung.</b> Der aus der Desulfuration stammende Schwefelwasserstoff reagiert im Faulschlamm mit Metallionen zu schwer löslichen, dunkel bis schwarz gefärbten Metallsulfiden.</p>
<p><b>6 = Desulfurikation.</b> Sulfat wird von Desulfurikanten zu H<sub>2</sub>S reduziert. Diese nutzen den Sauerstoff im Sulfat zur Oxidation von aufgenommenen organischen Stoffen; Sulfatatmung von obligat anoxischen Bakterien.</p>
<p><b>7 = Bakterielle Photosynthese.</b> Photoautotrophe Schwefelpurpurbakterien und grüne Schwefelbakterien nutzen den
Schwefelwasserstoff als H-Quelle zur Reduktion von Kohlenstoffdioxid zu Zucker. (BChl = Bakteriochlorophyll)</p>
<p><b></b></p>
<p><a href="#"> ↑ nach oben</a></p>
<h2 id="silikat">5. Silikatgehalt</h2>
<p>Neben den genannten Stoffen spielt für das Schilfwachstum auch <b>Silikat</b> als Zellwandbestandteil eine wichtige Rolle. Dieses gilt auch für das Wachstum der Kieselalgen, die im Phytoplankton der Wakenitz vor allem im Frühjahr und Herbst die Planktonbiozönose dominieren. </p>
<p>Regelmäßige Bestimmungen der Silikatwerte durch Schüler unserer Schule zeigen, dass offensichtlich an diesem Nährsalz auch kein Mangel herrscht.</p>
<p><a href="#"> ↑ nach oben</a></p>
<h2 id="formel">6. Formelverzeichnis</h2>
<table class="tabelle">
<thead>
<tr>
<th>chemische Formel</th>
<th>Stoffbezeichnung</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>N<sub>2</sub></td>
<td>elementarer Stickstoff als Molekül</td>
</tr>
<tr>
<td>NO<sub>2</sub><sup>-</sup></td>
<td>Nitrit</td>
</tr>
<tr>
<td>NO<sub>3</sub><sup>-</sup></td>
<td>Nitrat</td>
</tr>
<tr>
<td>NH<sub>4</sub><sup>+</sup></td>
<td>Ammonium</td>
</tr>
<tr>
<td>NH<sub>3</sub></td>
<td>Ammoniak</td>
</tr>
<tr>
<td>O<sub>2</sub></td>
<td>Sauerstoff</td>
</tr>
<tr>
<td>CO<sub>2</sub></td>
<td>Kohlenstoffdioxid</td>
</tr>
<tr>
<td>CH<sub>4</sub></td>
<td>Methan, Sumpfgas</td>
</tr>
<tr>
<td>PO<sub>4</sub><sup>3-</sup></td>
<td>Phosphat</td>
</tr>
<tr>
<td>FePO<sub>4</sub></td>
<td>Eisenphosphat</td>
</tr>
<tr>
<td>SO<sub>4</sub><sup>2-</sup></td>
<td>Sulfat</td>
</tr>
<tr>
<td>H<sub>2</sub>S</td>
<td>Schwefelwasserstoff</td>
</tr>
<tr>
<td>FeS</td>
<td>Eisensulfid</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p><a href="#"> ↑ nach oben</a></p>
<!--
<!PHOSPHATKREISLAUF->
<div name="phoskreis" id="phoskreis">
<h2><u>Phosphatkreislauf</u></h2>
<div class="bildContainer">
<a href="images/phos1.jpeg" data-lightbox="phoskreis" title="Phosphatkreislauf Abb.1">
<img src="images/phos1.jpeg" alt="Phosphatkreislauf Abb.1">
<p class="bildunterschrift">Phosphatkreislauf Abb.1</p>
</a>
<a href="images/phos2.jpeg" data-lightbox="phoskreis" title="Phosphatkreislauf Abb.2">
<img src="images/phos2.jpeg" alt="Phasphatkreislauf Abb.2">
<p class="bildunterschrift">Phosphatkreislauf Abb.2</p>
</a>
</div>
<p style="font-weight:bold">Allgemein in Fließgewässern:</p>
<p>Durch äußere Einflüsse (z.B. Düngung) gelangen Phosphate in Gewässer.
Zudem befinden sich im Wasser Fe<sup>2+</sup>-Ionen. Ist viel Sauerstoff durch Zirkulation des Wassers in allen Schichten vorhanden (aerober Zustand), vermag dieser die Ionen zu Fe<sup>3+</sup>-Ionen zu reduzieren.
Die Eisenionen verbinden sich in dieser Form mit den Phosphationen zum schwer löslichen Eisen(III)-Phosphat. Dieses sinkt zu Boden und bildet dort die sogenannte Phosphatfalle. Das Phosphat steht den Pflanzen nun nicht mehr zum Aufbau von Biomasse zur Verfügung. (Abb. 1a)
</p>
<p style="font-weight:bold">Spezialfall Wakenitz:</p>
<p>In der Mitte der Wakenitz herrschen durch Unterwasserpflanzen, die bei der Fotosynthese Sauerstoff ins Wasser abgeben, aerobe Zustände. Hierdurch werden wieder die Fe<sup>2+</sup>-Ionen zu Fe<sup>3+</sup>-Ionen reduziert, verbinden sich mit PO<sub>4</sub><sup>2-</sup> zu Eisen(III)-Phosphat und sinken in die Phosphatfalle. </p>
<p>Im Uferbereich wächst das Schilf. Dieses gibt den bei der Photosynthese produzierten Sauerstoff an die Luft ab. Hierdurch herrschen in den Uferbereichen unter Wasser eher anaerobe Zustände. Diese lösen die Phosphatfalle und PO<sub>4</sub><sup>2-</sup> und Fe<sup>2+</sup>-Ionen werden ins Wasser abgegeben. Gelangt das Phosphat in die Nährschicht, kann es von den Schilfpflanzen zum Aufbau von Biomasse verwendet werden. (Abb. 2)</p>
<p>In Schilfpflanzen befinden sich durchschnittlich 1,4g/kg Phosphor. </p>
</div>
<!STICKSTOFFKREISLAUF->
<div name="stickkreis" id="stickkreis">
<h2><u>Stickstoffkreislauf</u></h2>
<p>Der Stickstoffkreislauf beschreibt den Weg des Stickstoffs zwischen der Atmosphäre, dem pflanzlichen/tierischen Eiweiß und den Zwischenstufen Ammoniak, Ammonium, Nitrit und Nitrat. </p>
<p>Stickstoff kommt in jedem lebenden Organismus vor (Tiere, Pflanzen, Pilze, Bakterien), da Stickstoff ein wichtiger Baustoff für Aminosäuren und der DNA/RNA ist. Jedoch können die allermeisten Lebewesen den elementaren Stickstoff nicht einfach über die Luft aufnehmen. Eine Ausnahme sind zum Beispiel Cyanobakterien. Markl Biologie (Oberstufe) schreibt hierzu: "Stickstoff gehört zu den wichtigsten Bauelementen biologischer Moleküle - denken Sie nur an die Aminosäuren (und damit auch an die Proteine) oder die DNA, den Träger der Erbinformation. Da Luft zu 78% aus Stickstoff besteht, dürfte daran eigentlich kein Mangel bestehen. Trotzdem gehört Stickstoff oft zu den Minimumfaktoren, die das Pflanzenwachstum begrenzen. Den chemisch äußerst stabilen Stickstoff (N<sub>2</sub>) aus der Luft können nämlich nur wenige Bakterienarten verarbeiten." (S. 351)</p>
<div class="bildContainer">
<table id="tabelle" style="text-align:center; margin-bottom:20px;" border="1" align="center">
<thead>
<th>Stoff</th><th>chemische Abkürzung</th>
</thead>
<tbody>
<tr><td>Stickstoff</td><td>H<sub>2</sub></td></tr>
<tr><td>Ammoniak</td><td>NH<sub>3</sub></td></tr>
<tr><td>Ammonium</td><td>NH<sub>4</sub><sup>+</sup></td></tr>
<tr><td>Nitrit</td><td>NO<sub>2</sub><sup>-</sup></td></tr>
<tr><td>Nitrat</td><td>NO<sub>3</sub><sup>-</sup></td></tr>
</tbody>
</table>
<a href="images/N-Kreislauf.png" data-lightbox="stickkreis" title="Stickstoffkreislauf (schematisch)">
<img src="images/N-Kreislauf.png" alt="Stickstoffkreislauf (schematisch)">
<p class="bildunterschrift">Stickstoffkreislauf (schematisch)</p>
</a>
</div>
<p>In Gewässern sinken die organischen Substanzen (pflanzliche und tierische sterbliche Überreste) zunächst auf den Grund. Hier werden diese Substanzen mit gebundenem Stickstoff von stickstoffbindenden Bakterien (Destruenten) zu Ammonium-Ionen abgebaut. Diesen Prozess nennt man Ammonifikation und ist in der Abbildung 2 der erste Schritt.</p>
<p>Bei der Nitrifikation (Schritt zwei in der Abbildung), die durch spezielle aerobe Bakterien durchgeführt wird, wird das Ammonium unter aeroben Bedingungen zunächst zu Nitrit, dann zu Nitrat oxidiert. Markl schreibt hierzu: "Im mehrstufigen Prozess der Nitrifikation wird Ammonium zu Nitrat (NO<sub>3</sub><sup>-</sup>) oxidiert, das die Pflanzen dann über die Wurzeln aus dem Boden aufnehmen. Die N<sub>2</sub>-Fixierer unter den Bakterien schleusen in großem Stil Stickstoff in die biologischen Kreisläufe[...]." (S.352)</p>
<p>Das Nitrat kann von Pflanzen als Nährstoff aufgenommen werden; auch Assimilation genannt. Hierbei wird Stickstoff fixiert. (Cyanobakterien können sogar atmosphärischen Stickstoff aufnehmen, sodass er im Organismus gebunden wird. Dies nennt man Stickstofffixierung (Schritt fünf)). Sobald die Pflanzen sterben und zu Boden sinken, beginnt der Kreislauf grundsätzlich von neuem. Jedoch wird Nitrat auch durch Bakterien über Distickstoffmonooxid in elementaren Stickstoff reduziert. Dies geschieht bei Sauerstoffknappheit und nennt sich Denitrifikation (Schritt drei). </p>
<p>Bei der Nitratammonifikation (Schritt vier) wird Nitrat in Ammonium zurückreduziert. </p>
<!--p>Die Abbildungen zeigen die beschriebenen Prozesse auf.
Literaturangaben:
• Markl Biologie Oberstufe
• Andreas Paul - Tom's Power Point Präsentation
• Biologie-LK.de
• Wikipedia
• http://www.pflanzenforschung.de/index.php?cID=8406
• Tom's Bericht zur Projektwoche und Handout (Grafiken)>
</p->
</div-->
</div>