Ammonifikation

Mensch und Ammonifikation

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Ammonifikation ist in der Chemie definiert als die Sättigung mit Ammoniak oder einer seiner Verbindungen. Streng genommen bezieht sich die Ammonifikation auf jede chemische Reaktion, bei der Ammoniak (NH3) als Endprodukt entsteht (oder seine ionische Form, Ammonium, NH4+). Die Ammonifikation kann durch verschiedene anorganische Reaktionen oder durch die Stoffwechselfunktionen von Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren erfolgen. Im ökologischen Kontext bezieht sich die Ammonifikation jedoch auf die Prozesse, durch die organisch gebundene Formen von Stickstoff, die in toter Biomasse vorkommen (wie Aminosäuren und Proteine), zu Ammoniak und Ammonium oxidiert werden. Der ökologische Prozess der Ammonifikation wird im Boden und im Wasser von einer großen Vielfalt von Mikroben durchgeführt und ist eine der vielen Arten von chemischen Umwandlungen, die während der Zersetzung toter organischer Materie stattfinden.

Ammonifikation ist eine Schlüsselkomponente im Stickstoffkreislauf von Ökosystemen. Der Stickstoffkreislauf besteht aus einem Komplex integrierter Prozesse, durch die Stickstoff zwischen seinen Hauptkompartimenten in der Atmosphäre, im Wasser, im Boden und in den Organismen zirkuliert. In den verschiedenen Phasen des Stickstoffkreislaufs wird dieses Element in seine verschiedenen organischen und anorganischen Verbindungen umgewandelt.

Wie bei allen Komponenten des Stickstoffkreislaufs ist das ordnungsgemäße Funktionieren der Ammonifikation für die Gesundheit der Ökosysteme von entscheidender Bedeutung. Ohne Ammonifikation würden sich organische Formen von Stickstoff in großen Mengen anreichern. Da wachsende Pflanzen Zugang zu anorganischen Stickstoffformen, insbesondere Ammonium und Nitrat (NO3-), benötigen, ist die Oxidation des organischen Stickstoffs abgestorbener Biomasse durch Ammonifikation für die Aufrechterhaltung der Produktivität von Arten und Ökosystemen notwendig.

Ammonifikation

Stickstoff ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente in den Geweben aller Organismen und ist Bestandteil vieler Biochemikalien, insbesondere von Aminosäuren, Proteinen und Nukleinsäuren. Daher ist Stickstoff einer der wichtigsten Nährstoffe und wird von allen Organismen in relativ großen Mengen benötigt. Tiere erhalten ihren Stickstoffbedarf durch die Nahrung, die sie zu sich nehmen, aber Pflanzen müssen anorganische Formen dieses Nährstoffs aus der Umwelt aufnehmen.

Die Geschwindigkeit, mit der die Umwelt anorganischen Stickstoff liefern kann, ist jedoch begrenzt und in der Regel gering im Verhältnis zum Stoffwechselbedarf der Pflanzen. Daher ist die Verfügbarkeit anorganischer Stickstoffformen häufig ein begrenzender Faktor für die Produktivität von Pflanzen. Dies ist besonders häufig bei Pflanzen der Fall, die in terrestrischer und mariner Umgebung wachsen, und in geringerem Maße auch in Süßgewässern (wo die Phosphatversorgung in der Regel der primär begrenzende Nährstoff ist, gefolgt von Nitrat).

Die abgestorbene Biomasse von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen enthält große Konzentrationen organisch gebundenen Stickstoffs in verschiedenen Formen, wie Proteine und Aminosäuren. Der Zersetzungsprozess ist dafür verantwortlich, die anorganischen Bestandteile der toten Biomasse zu recyceln und zu verhindern, dass sie sich in großen, unbrauchbaren Mengen anreichern. Die Zersetzung wird natürlich hauptsächlich durch die Stoffwechselfunktionen einer Vielzahl von Bakterien, Pilzen, Aktinomyzeten, anderen Mikroorganismen und einigen Tieren durchgeführt. Ammonifikation ist ein spezieller Aspekt des komplexeren Prozesses des organischen Zerfalls und bezieht sich speziell auf die mikrobielle Umwandlung von organischem Stickstoff in Ammoniak (NH3) oder Ammonium (NH4+).

Ammonifikation findet unter oxidierenden Bedingungen in praktisch allen Ökosystemen statt und wird von praktisch allen Mikroorganismen durchgeführt, die am Zerfall toter organischer Materie beteiligt sind. In Situationen, in denen kein Sauerstoff vorhanden ist, ein Zustand, der als anaerob bezeichnet wird, treten verschiedene mikrobielle Zerfallsreaktionen auf; diese produzieren Stickstoffverbindungen, die als Amine bekannt sind.

Die Mikroben gewinnen einen Teil der metabolisch nutzbaren Energie aus der Oxidation von organischem Stickstoff zu Ammonium. Außerdem wird ein Großteil des Ammoniums assimiliert und als Nährstoff für den Stoffwechsel der Mikroben verwendet. Wenn die Mikroben jedoch Ammonium in Mengen produzieren, die ihren eigenen Bedarf übersteigen, was in der Regel der Fall ist, wird der Überschuss in die Umgebung (z. B. den Boden) ausgeschieden und steht als Nährstoff für Pflanzen oder als Substrat für einen anderen mikrobiellen Prozess, die so genannte Nitrifikation (siehe unten), zur Verfügung. Tiere hingegen scheiden mit ihren stickstoffhaltigen flüssigen Ausscheidungen (z. B. Urin) meist Harnstoff oder Harnsäure aus, zusammen mit verschiedenen organischen Stickstoffverbindungen in ihren Fäkalien. Harnstoff, Harnsäure und organischer Stickstoff im Kot sind Substrate für die mikrobielle Ammonifikation.

Eine der elementarsten Ammonifikationsreaktionen ist die Oxidation der einfachen organischen Verbindung Harnstoff (CO(NH2)2) zu Ammoniak durch ein mikrobielles Enzym namens Urease. (Beachten Sie, dass für jede oxidierte Einheit Harnstoff zwei Einheiten Ammoniak entstehen). Harnstoff ist ein häufig verwendeter landwirtschaftlicher Dünger, der Ammoniak oder Ammonium für die direkte Aufnahme durch Pflanzen oder als Substrat für die mikrobielle Produktion von Nitrat durch Nitrifikation (siehe unten) liefert.

Ammonium ist eine geeignete Quelle für die Stickstoffaufnahme für viele Pflanzenarten, insbesondere solche, die in sauren Böden und Gewässern leben. Die meisten Pflanzen, die in nicht-sauren Böden vorkommen, können Ammonium jedoch nicht sehr effizient verwerten und benötigen das Anion Nitrat (NO3+) als Quelle für die Stickstoffaufnahme. Das Nitrat wird im Allgemeinen durch die bakterielle Oxidation von Ammonium zu Nitrit und dann zu Nitrat in einem wichtigen ökologischen Prozess gewonnen, der als Nitrifikation bekannt ist. Da die Bakterienarten, die die Nitrifikation durchführen, extrem säureintolerant sind, findet dieser Prozess in sauren Böden oder Gewässern nicht in nennenswertem Umfang statt. Dies ist der Grund, warum Pflanzen, die in sauren Lebensräumen wachsen, nur auf Ammonium als Stickstoffquelle angewiesen sind.

Da Ammonium ein positiv geladenes Kation ist, wird es durch Ionenaustauschreaktionen, die an den Oberflächen von Tonmineralien und organischen Stoffen in Böden stattfinden, relativ stark gehalten. Folglich wird Ammonium nicht sehr effektiv vom Wasser ausgewaschen, wenn es durch den Boden nach unten sickert. Dies steht im Gegensatz zu Nitrat, das im Bodenwasser gut löslich ist und leicht ausgewaschen wird. Daher kann die Nitratverschmutzung in landwirtschaftlichen Gebieten, die stark mit stickstoffhaltigen Düngemitteln gedüngt wurden, ein großes Problem darstellen.

Mensch und Ammonifikation

Der Mensch hat einen großen Einfluss auf den Stickstoffkreislauf, insbesondere durch den Einsatz von Düngemitteln in der Landwirtschaft. Unter nährstoffbegrenzten Bedingungen versuchen Landwirte häufig, die Verfügbarkeit von Stickstoff im Boden zu erhöhen, vor allem in Form von Nitrat und in geringerem Maße auch in Form von Ammonium. Die Düngemengen in intensiven landwirtschaftlichen Systemen können 446,2 lb/ac (500 kg/ha) Stickstoff pro Jahr übersteigen. Der Stickstoff im Dünger kann als Ammoniumnitrat (NO4 NH4) oder als Harnstoff zugesetzt werden. Die letztgenannte Verbindung muss ammonifiziert werden, bevor die anorganischen Formen des Stickstoffs, d. h. das Ammonium und Nitrat, die von den Pflanzen aufgenommen werden können, vorhanden sind. In einigen landwirtschaftlichen Systemen können Kompost oder andere organische Materialien als Bodenverbesserer und Düngemittel in den Boden eingebracht werden. In solchen Fällen wird der organische Stickstoff durch mikrobielle Ammonifikation in verfügbares Ammonium umgewandelt, und anschließend kann durch Nitrifikation Nitrat erzeugt werden.

In Situationen, in denen die Düngemengen übermäßig hoch sind, erschöpft sich die Fähigkeit des Ökosystems, den Stickstoffeintrag zu assimilieren. Obwohl das durch Ammonifikation erzeugte Ammonium nicht leicht auslaugt, tut dies das Nitrat, und dies kann zur

SCHLÜSSELBEZEICHNUNGEN

Zersetzung- Der Abbau der komplexen Moleküle, aus denen tote Organismen bestehen, in einfache Nährstoffe, die von lebenden Organismen wiederverwendet werden können.

Eutrophierung- Ein natürlicher Prozess, der in einem alternden See oder Teich stattfindet, wenn die Konzentration von Pflanzennährstoffen in diesem Gewässer allmählich ansteigt.

Auswaschung- Der Prozess der Bewegung von gelösten Substanzen im Boden zusammen mit versickerndem Wasser.

Nährstoff- Jede Chemikalie, die für das Leben benötigt wird.

Verschmutzung von Grundwasser und Oberflächengewässern wie Bächen und Flüssen. Die Verschmutzung des Grundwassers mit Nitrat stellt ein Risiko für die menschliche Gesundheit dar, während Oberflächengewässer durch Eutrophierung eine erhöhte Produktivität erfahren können.

Ressourcen

BÜCHER

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Bill Freedman