Stickstofffixierung in Pflanzen. Abdulselam Adam & Muhammed Eliyazici

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1 Stickstofffixierung in Pflanzen Abdulselam Adam & Muhammed Eliyazici

2 Inhaltsverzeichnis Stickstoff-Allgemein Geschichte Bedeutung und Vorkommen Eigenschaften Biologische Bedeutung Verwendung Stickstofffixierung Allgemein Wozu brauchen die Pflanzen Stickstoff? Mangelerscheinungen Biologisch Mikroorganismen/Bakterien Chemisch Technisch Der Stickstoffkreislauf Nitrifikation Ammonifikation Denitrifikation Quellen

3 Geschichte Stickstoff wurde im Jahre 1772 gleich zweimal entdeckt Henry Cavendish und Daniel Rutherford Nachweis durch Fraktionierung von Luft Im Jahre 1877 gelang die erste Verflüssigung von Stickstoff

4 Bedeutung und Vorkommen Es ist in der 5 Hauptgruppe und hat auch den größten Anteil in der Erdatmosphäre. (10 15 Tonnen) Da Stickstoff in Proteinen und Nukleinsäure aller biologischen Organismen enthalten ist, ist der globale Stickstoffkreislauf von zentraler ökologischer Bedeutung.

5 Eigenschaften Stickstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, das erst bei -196 C flüssig wird und bei -210 C erstarrt. sehr reaktionsträge und nicht brennbar Bei 20 C lösen sich in einem Liter Wasser 0,016 l Stickstoffgas Aufgrund seiner Elektronenkonfiguration kann es alle Oxidationsstufen zwischen +5 und -3 einnehmen. Wichtigste Verbindungen sind Ammoniak, Stickoxide, Salpetersäure und salpetrige Säure

6 Biologische Bedeutung Es ist ein Bestandteil von Proteinen, Nukleinsäuren, Vitaminen und Enzymen. Nur einige Bakterienarten können Luftstickstoff fixieren. Alle tierischen Organismen gewinnen es aus der Nahrung. Im menschlichen Körper sind ca. 2 kg Stickstoff enthalten

7 Verwendung Jährlich werden weltweit ca. 44 Millionen Tonnen Stickstoff gewonnen. Reines Stickstoffgas wird als Schutzgas zum Schweißen und zum Transport feuergefährlicher Stoffe eingesetzt. In der chemischen Industrie (meist für z.b. Düngerherstellung) Durch zusätzliche Stickstoffzufuhr wird der Ertrag in der Landwirtschaft erhöht.

8 Allgemein Man unterscheidet: biologische Stickstofffixierung (durch Mikroorganismen) chemische Stickstofffixierung (Bildung von Stickoxiden durch Verbrennungen oder Blitzschlag) technische Stickstofffixierung (Haber-Bosch-Verfahren). jegliche Umwandlung des chemisch inerten elementaren N 2, zu reduzierten Verbindungen, die reaktiver und insbesondere bioverfürgbar sind.

9 Wozu brauchen die Pflanzen Stickstoff? Aufbau von Proteinen, Nukleinsäuren und Chlorophyll (für Wachstum)

10 Mangelerscheinungen Vergilbungen (Gelbe Pflanzen, spärliches und lückenhaftes Wachstum) Mögliche Ursachen Fehlende Düngung Schlechte Bodenstruktur Falscher ph-wert

11 Biologisch Nur Prokaryonten sind zur Stickstofffixierung befähigt. Diese Bakterien (z.b. Azotobacter, Azomonas, Rhizobium und Cyanobakterien) und Blaualgen kommen frei lebend oder in Symbiose (z.b. Rhizobium)mit Pflanzen vor. Alle anderen Lebewesen sind N-heterotroph und müssen Stickstoff über die Nahrung aufnehmen. Der Prozess ist aufgrund der sehr stabilen Dreifachbindung (946 KJ/mol) äußerst energieaufwändig, den die Mikroorganismen mit einem speziellen Nitrogenase- Enzymkomplex katalysieren. Teilgleichung Reduktion: N e H > 2 NH 3 Der Ammoniak wird entweder in eigene Aminosäuren eingebaut oder an die Pflanzenzellen abgegeben.

12 Mikroorganismen/Bakterien Da die Stickstofffixierung für die Lebewesen sehr energieaufwändig ist, wird sie streng reguliert und kommt nur zur Anwendung, wenn das Lebewesen keine andere Möglichkeit zur Stickstoffversorgung hat. Für die Umsetzung von 1 mol Stickstoff zu 2 mol Ammoniak werden pro Gramm fixiertem Stickstoff - unter günstigsten Voraussetzungen - ca. 10 g Glucose verbraucht.

13 Chemisch Bei Blitzschlag oder Verbrennungen entstehen aus Luftstickstoff und Luftsauerstoff Stickoxide, welche mit Wasser und Sauerstoff zu Salpetersäure weiterreagieren, die als "saurer Regen" in den Boden kommt. N 2 + O > 2 NO 4 NO + 3 O H 2 O > 4 HNO 3

14 Technisch In der Technik wird Luftstickstoff nach dem Haber-Bosch-Verfahren fixiert. Synthesetemperatur von 500 C, Druck 450 bar und Katalysatoreinsatz. N H > 2 NH 3

15 Der Stickstoffkreislauf

16 Nitrifikation Pflanzen sind zwar in der Lage Ammonium aufzunehmen, bevorzugen jedoch Nitrate. Nitrosomonas und Nitrobacter, wiederum Bakterien, oxidieren in einem zweistufigen aeroben Prozess unter Energiegewinnung Ammonium(-III) über die Stufe des Nitrits(+III) zu Nitrat (+V): Nitrosomanas: 2 NH O 2 + 2H 2 O------> 2 NO H 3 O + Nitrobacter: 2 NO 2- + O > 2 NO 3 -

17 Ammonifikation Das nun von den Pflanzen aufgenommene Nitrat wird in organische Verbindungen, wie Proteine umgesetzt und damit vorübergehend dem biologischen Pool entzogen: Nitrat NO > Aminogruppe NH 2 Über Primär- und Sekundärkonsumenten werden diese als Harnstoff oder Kadaver wieder freigesetzt und von Zersetzern (Pilze o. Bakterien) durch Hydrolyse in Ammoniumverbindungen umgewandelt, welche dann erneut zur Aufnahme zur Verfügung stehen: (NH 2 ) 2 CO + H 2 O > 2 NH 3 + CO 2 Damit ist der biologische Stickstoffkreislauf geschlossen.

18 Denitrifikation Allerdings gibt es einen der Nitrifikation Entgegengesetzten Prozess, bei dem Bakterien (z.b. Flavobacterium) unter anaeroben Bedingungen Nitrate oxidativ veratmen, um Sauerstoff zu gewinnen. Dabei wird wieder elementarer Stickstoff freigesetzt und gelangt zurück in die Atmosphäre. 2 NO H e > N H 2 O

19 Quellen kterie.htm imgrefurl= start=13&um=1&tbnid=fobamfpvmmhnjm:&tbnh=109&tbnw=85&prev=/images%3fq %3Drutherford%2Bdaniel%26um%3D1%26hl%3Dde Czygan, Franz-Christian: Der Stickstoffkreislauf in der Natur, in: Biologie in unserer Zeit, Heft 1, 1971, S Holleman, Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 101. Aufl., 1995, 640ff. Jander, Blasius: Einführung in das anorganisch-chemische Praktikum, 13. Aufl., Stuttgart, Hamburger Bildungsserver Botanik online, Heinrich, Dieter: dtv Atlas der Ökologie, München