Einige natürliche
Stoffe 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 (menschliche) Einflüsse
nachgewiesen werden.
Es gibt Kreisläufe in der nicht lebenden (abiotischen) und in der lebenden (biotischen) Natur.
Häufig sind Organismen und die abiotische Natur durch Stofftransporte
miteinander verbunden. Stoffkreisläufe finden sowohl kleinräumig
als auch weltweit statt.
Natürliche Kreisläufe sind Stoffkreisläufe, die durch Energieumwandlungen
aufrechterhalten werden.
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 Kohlenstoffs, 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.
Für einige Elemente des Periodensystems, z. B. Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, aber auch für Phosphor oder Schwefel gibt es solche Kreisläufe.
Der Kreislauf des Stickstoffs
Stickstoff ist eines der Elemente,
die die Pflanzen in größeren Mengen benötigen. Es stellt
oft den begrenzenden 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, sodass 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 elektrischen 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 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 Nährsalz-Ionen 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.
NH4+ + 2 O2 → NO2- + 2 H2O 2 NO2- + O2 → 2 NO3- |
|
| 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 zur Bildung von Aminosäuren verwendet. 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 ist Wasser unentbehrlich.
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 in Form von 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 verschiedenen 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 
dazu vergleichsweise geringe Mengen CO und 
Im Wasser sind Carbonate und Hydrogencarbonate gelöst, dazu kommt
der biologische 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 
Der natürliche Kohlenstoffkreislauf wird anthropogen
beeinflusst. Durch Verbrennung gelangt zusätzlich 
in die Atmosphäre. Das führt zum Anstieg des CO2-Gehalts in der Luft und zur Verstärkung des natürlichen Treibhauseffekts.
Der Kohlenstoffkreislauf
beschreibt den globalen Haushalt des Elements Kohlenstoff in den vier
oben genannten Umweltbereichen.