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 (Bild 1)
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.(Bild 2)

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

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.

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 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
Der natürliche Kohlenstoffkreislauf wird anthropogen beeinflusst. Durch Verbrennung gelangt zusätzlich in die Atmosphäre. Das führt zum Anstieg des Gehaltes in der Luft und zur Verstärkung des natürlichen Treibhauseffektes.

Der Kohlenstoffkreislauf beschreibt den globalen Haushalt des Elementes Kohlenstoff in den vier oben genannten Umweltbereichen (Bild 4).