Stickstoff Kreislauf und Ökosysteme (EEE201) PDF

Stickstoff Kreislauf und Ökosysteme (EEE201)  Einleitung N Moleculare Form (N2): inert, farblos, duftloses gas Isotopes Abundance Half-life 14N 99.63% stable 15N 0.37% stable 13N - ~ 10 min 12,16-24N - ≤ 7 sec...

Stickstoff Kreislauf und Ökosysteme (EEE201)  Einleitung N Moleculare Form (N2): inert, farblos, duftloses gas Isotopes Abundance Half-life 14N 99.63% stable 15N 0.37% stable 13N - ~ 10 min 12,16-24N - ≤ 7 sec https://ptable.com/ Wichtigste Quellen Atmosphäre 3.9 x 10⁶ Gt N 2.3 % Biosphäre 280 Gt N 0.0002 % Hydrosphäre Geosphäre 2.3 x 10⁴ Gt N 163.6 x 10⁶ Gt N 0.014 % 97.7 %  Geosphäre Meistens im Erdkern und -mantel in einer Form gespeichert, die nicht zugänglich ist und nicht Teil des globalen Stickstoffkreislaufs ist (verbunden mit Fe/Mg). Mit Ausnahme von vulkanischen Emissionen (NH3 und N2). Der Rest ist in der Kruste (Gestein, Boden, Sedimente) https://journals.openedition.org/ephaistos/11855 gespeichert, obwohl es kein Hauptbestandteil ist Anion [NO3]¯ verbunden mit Kationen wie Na⁺, K⁺, Reservoir Gt of N % total Ba²⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ Oder als NH4⁺ als Ersatz für K oder Earth’s crust 1.3-14 x 0.78-8.4 Adsorption an Tonen 10⁶ Oft lösliche Mineralien, die in trockenen Umgebungen Soil and 0.35-4 x 0.21-2.4 sediments 10⁶ vorkommen (evaporitisch) Beispiel: Chilesalpeter (Atacama-Wüste): Mantle and core 160 x 10⁶ 95.6 Atmosphäre Gas Abundance (%) Zusammensetzung N2 78.08 der Tropospäre O2 20.95 H2O 0-4 Ar 0.93 CO2 0.036 Ne 0.0018 He 0.0005 CH4 0.00017 H2 0.00005 N2O 0.00003 Greenhouse gas O3 0.000004  Bedeutung fürs Leben Stickstoff ist ein wesentlicher Bestandteil für: 1) Nukleinsäuren (DNA, RNA) 2) Aminosäuren 3) Enzyme (z. B. an Photosynthese- und Atmungsprozessen beteiligt) 4) Proteine 5)Chlorophyl Essenzieller und limitierender Nährstoff für das Pflanzenwachstum Pictures from https://www.biologyonline.com/ and https://www.reagent.co.uk/  N Chemie In der Natur in verschiedenen Oxidationsstufen vorhanden Molecule Oxidation Half-life Source/use state NH3; -3 Ammonia Manure, urine, NH4⁺ Ammonium ion fertilizers, biomass burning N2 0 Gaseous nitrogen Atmosphere N2O +1 Nitrous oxide Agriculture, (laughing gas) industry, combustion NO +2 Nitrogen Combustion Die Oxidation ist eine chemische monoxide Reaktion, bei der ein Ion oder NO2¯ +3 Nitrite Combustion, ein Atom ein oder mehrere Elektronen abgibt und dadurch industry seinen Oxidationszustand NO3¯; +5 Nitrate, nitric acid Natural, erhöht. HNO3 wastewater, agriculture, oxidation of NOx Pictures from https://www.wikipedia.org/ Einleitung und Zusammenfassung Zusammenfassung Stickstoff (N2) ist wichtiges Element für das Wachstum von Pflanzen und damit für alle, die sich von Pflanzen ernähren viele N-Formen sind sehr reaktiv: Verschiedene Umwandlungen von einer N-Form in eine andere hohe Konzentrationen von reaktiven Formen in Luft, Boden und Wasser haben negative Effekte wie Eutrophierung, Biodiversitätsverlust, globale Versauerung, Ozonverlust in der Stratosphäre durch atmosphärische und hydrologische Transporte weit verteilt Stickstoffkreislauf, natürlich und anthropogen Biologische Stickstoff-Fixierung Unter Stickstofffixierung versteht man allgemein jegliche Umwandlung des chemisch inerten elementaren, molekularen Stickstoffs (N2). Der Prozess ist aufgrund der sehr stabilen Dreifachbindung molekularen, elementaren Stickstoffs mit 946 Kilojoule je Mol (kJ/mol) sehr energieaufwändig. Stickstofffixierung (anaerob): N2 + 8H+ 8e- = 2NH3 + H2 (durch Bakterien und Cyanobakterie) Biologische Stickstoff-Fixierung ist sehr wichtig für die biologische Landwirtschaft. Haber Bosch kostet sehr viel Energie: 1 kg N = 1.5 bis 2.2 liter Benzin/Öl)  Important Agricultural crops like soybean (Glycine max, Alfalfa & clover) obtain nitrogen from nitrogen fixing bacteria (Erdnuss) (Soja) (Bohnen) Wikke (Vicia) Erlen (Alnus) biologische Stickstofffixierung (16’000 Leguminosen; Aktinorrhiza (Erlen), Gunnera, Cycade Root Nodule of Lotus corniculatus 1 mm  Biologische Stickstoff-Fixierung N150 Nsym geerntet: Bis 323 kg N ha-1 yr-1 Nsym geerntet: Ausgeglichene Mischungen Nsym so gut wie Klee Reinkulturen Nmin geerntet: Nmin Ausgeglichene Mischungen gleich gut oder besser als Gras Reinkulturen Nyfeler et al. 2010  EU Projekt OSCAR: Einfluss von Gründünger auf die Erträge und das Bodenleben Winter Weizen Brache (Kontrolle) Mais Winter Weizen Erdklee (TS) Mais Zwischenfrucht Winter Weizen Ölrettich (RS) Mais Winter Weizen Winterwicke (VV) Mais Pflug + Herbizide (CP) WEco-dyn ohne Herbizide Bodenbearbeitung Pflug (ED) Direktsaat + Herbizide (NT) voll: 140 kgN/ha voll: 90 kgN/ha Düngung halb: 70 kgN/ha halb: 45 kgN/ha www.oscar-covercrops.eu Mit Gründünger können andere Düngemittel gespart werden Brache (Kontrolle) Erdklee (TS) Ölrettich (RS) Winterwicke (VV) Pflug min. BB Direktsaat Ölrettich Erdklee Winterwicke RA Wittwer, MGA van der Heijden 2020 Field Crops Research 249, 107736  C 90N C 90N Control clover VV 45N C 100N VV 45N VV 50N Vetch Radish Plough Weco-dyn No tillage Plough Weco-dyn No-tillage Isotopenökologie: 15N als BeispielFixierung N = 14 (Atomgewicht) N = 15 (angereichertes Stickstoffisotop) Natürliches Verhältnis 14N/15N = 0,003663 = 0,3663 % des atmosphärischen N2 δ15N (‰ ) = ((RProbe/ RStandard )-1) ‰= parts per thousand deviation In der Natur wird regelmäßig eine Fraktionierung gegenüber dem schweren Isotop beobachtet (z. B. bei der Nitrifikation). Dies bedeutet, dass Produkte (z. B. NO3-) im Verhältnis zum Substrat (z. B. NH4+), das angereichert wird, abgebaut werden. Bei der N2-Fixierung findet keine/kaum eine Fraktionierung statt. Hülsenfrüchte in Dünengrasland gewinnen atmosphärischen Stickstoff durch Verbindungen mit stickstofffixierenden Bakterien -9.00 Natural abundance δ15N (‰ ) 4 Non Legumes -7.00 Legumes 6 11 8 7 10 9 5 -5.00 -3.00 1, Lotus corniculatus; 1 2 2, Trifolium repens; 3, Ononis repens; -1.00 3 4, Festuca ovina; 5, Anthoxanthum odoratum; 6, Koeleria macrantha; 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 7, Plantago lanceolata; 8, Hieracium pilosella; Nitrogen concentration (%) 9, Achillea millefolium; 10, Hypochaeris radicata; 11, Thymus pulegioides van der Heijden et al. 2006, FEMS Microbiology ecology  (a) (b) a a Nitrogen content (g*m-2) 400 4 b Biomass (g*m-2) 300 legumes 3 legumes forbs b forbs 200 2 grasses grasses 100 1 0 0 Control + Rhizobia Control + Rhizobia (c) 2 a Shannon Diversity index 1.6 b 1.2 0.8 0.4 van der Heijden et al. (2006) 0 FEMS microbiology ecology Control + Rhizobia  Biologische Stickstofffixierung als Schlüsselmechanismus zur Erklärung der positiven Auswirkungen von Rhizobien auf Pflanzenvielfalt und Produktivität Isotopenökologie: 15N als BeispielFixierung 10000.00 10000 δ15N of available Plant δ15N (log ‰) 1000.00 1000 soil nitrogen Plant δ15N (‰) Legume species 100.00 100 with Rhizobia Control 10.00 10 O Non Legume species r with Rhizobia Control 1 1.00 δ15N of air 0.00 1.00 2.00 3.00 N (%) (%) Legume species: Lotus corniculatus Ononis repens Trifolium repens Stickstoff-Fixierung Und Düngung Die Landwirtschaft muss mehr und nachhaltiger produzieren Tillman et al. (2002) Nature: 418 Tillman et al. (2002) Nature: 418 Intensive Landwirtschaft braucht natürliche Ressourcen und verursacht Umweltprobleme Tillman et al. (2002) Nature: 418 Cordell et al. (2009). Global Env Change: 19 GHG emissions N & P leaching NASA Anamox (anaerobe Ammonium- Oxidation : NH4+ + NO2− → N2 + 2 H2O Als Nitrifikation bezeichnet man die bakterielle Oxidation von Ammoniak (NH3) bzw. Ammonium Ionen (NH4+) zu Nitrat (NO3−). Sie besteht aus zwei gekoppelten Teilprozessen: Im ersten Teil wird Ammoniak zu Nitrit oxidiert, das im zweiten Teilprozess zu Nitrat oxidiert wird. Beide Teilprozesse liefern für die beteiligten Organismen ausreichend Energie für Wachstum und andere Lebensvorgänge. Nitrifikation (aerob): 2 NH4+ + 3 O2 → 2 NO2− + 2 H2O + 4 H+ (Nitrosomonas, Comammox) 2 NO2− + O2 → 2 NO3− (Nitrobacter, Nitrospira, Comammox) NH3 + O2 → NO2− + 3H+ + 2e− NO2− + H2O → NO3− + 2H+ + 2e− Unter Denitrifikation versteht man die Umwandlung des im Nitrat (NO3−) gebundenen Stickstoffs zu molekularem Stickstoff (N2) und Stickoxiden. Der Vorgang dient den Bakterien zur Energiegewinnung. Bakterien nutzen Nitrat als Elektronenakzeptor (Oxidationsmittel) für ihren oxidativen Energiestoffwechsel (oxidative Phosphorylierung) (nur wenn kein oder nur begrenzt molekularer Sauerstoff (O2) verfügbar) Denitrifikation (anaerob): NO3− → NO2− → NO + N2O → N2 (g) 2 NO3− + 10 e− + 12 H+ → N2 + 6 H2O  Nährstoffverlust N-Verlust durch Denitrifikation Climate change Ozone depletion N2O N2 Organic NH4+ NO3- Denitrification N Mineralization Nitrification Hofstra, N., & Bouwman, A. F. (2005). Denitrification in agricultural soils: summarizing published data and estimating global annual rates. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 72, 267-278.  N2 O + Fertilizer + water N2O emissions measured Arbuskulaire Mykorrhiza-Pilze (AMF) reduzieren N2O Ausstoss Without AMF: 42% increase Without AMF: 34% increase Bender et al. 2014, ISME Journal Denitrification gene copy numbers nirK (Nitrite reductase) nosZ (Nitrous oxide reductase) → produces N2O → Reduces N2O to N2 Changes in the microbial communities Higher denitrification efficiency → less N2O more N2 ? Bender et al. 2013, ISME Journal Stickstoffbilanz Stickstoffbilanz Stickstoff-Verluste: NH3 Schleppschlauch: eine effiziente, preisgünstige Lösung Galloway et al. 2008  1978 1984 + N- Düngung Was sind die Mechanismen, Wieso passiert dies? Ringler (1987) Gefährdete Landschaft  N-Düngung durch die Luft stimuliert Wachstum (vorallem Gräser) Abnahme der Biodiversität Versauerung von Böden / Auswaschung von Nährstoffen aus dem Boden (Stevens et al., Science 2004) Der Artenreichtum Die Artenreichtumschwindet!schwindet «Umwelt», BAFU 2014/2 Beispiel: Kalkmagerwiesen Nährstoffverluste: Auswaschung Organic NH4+ NO3- N Mineralization Nitrification Eutrophication Foto: http://montagepages.fuselabs.com/public/Mili/EUTROPHICATIONPOLUTIONALGEA/1a3df43f-0635-424d-af91-e94b25cc0527.htm Nitrat im Grundwasser Besonders hoch sind die Nitratgehalte im Grundwasser im schweizerischen Mittelland. Hier liegen sie mancherorts deutlich über den gesetzlichen Anforderungen von höchstens 25 Milligramm pro Liter. NO3- NO3- NO3- NO3- NO3- NO3-  Forschung: Wir füllten 16 Lysimeter mit 9 Tonnen sterilisierter ErdeStickstoffbilanz rich poor soil rich soil life life soil life  Bodenbiodiversität und Bodenleben fördert die Nährstoffkreislauf: mehr Verluste wenn es wenig Bodenleben gibt High Low High Low High Low High Low (