In der Biologie ist der Nährstoffkreislauf ein Konzept, das beschreibt, wie Nährstoffe aus der physischen Umgebung in lebende Organismen gelangen und anschließend wieder in die physische Umgebung zurückgeführt werden. Diese zirkuläre Bewegung von Nährstoffen ist für jedes gegebene Ökosystem unerlässlich und muss ausgewogen und stabil sein, damit das System aufrechterhalten werden kann. In vielen Fällen hatten menschliche Aktivitäten einen großen Einfluss auf diese Prozesse, was zu negativen Auswirkungen führte. Es gibt viele verschiedene Nährstoffkreisläufe mit jeweils eigenen Wegen, aber die vielleicht wichtigsten sind die der Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Phosphor.
Der Kohlenstoffkreislauf
Dieser Nährstoffkreislauf beginnt mit der Photosynthese, dem Prozess, bei dem Pflanzen, Algen und einige Bakterien Energie aus Sonnenlicht nutzen, um Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre und Wasser zu kombinieren, um Zucker, Stärke, Fette, Proteine und andere von ihnen verwendete Verbindungen zu bilden um Zellen aufzubauen oder als Nahrung zu speichern. Auf diese Weise entziehen Pflanzen der Atmosphäre Kohlenstoff und speichern ihn, um ihn Pflanzenfressern zur Verfügung zu stellen, die die Pflanzen fressen. Pflanzenfresser verwenden einen Teil des Kohlenstoffs, den sie verbrauchen, um Zellen aufzubauen und zu reparieren, damit er in ihrem Körper gespeichert wird. Der Rest wird zur Energiegewinnung verwendet: Er wird mit Sauerstoff aus der Luft zu CO2 kombiniert, das dann ausgeatmet wird und den Kohlenstoff direkt in die Atmosphäre zurückführt.
Der im Körper eines Pflanzenfressers, wie beispielsweise eines Hirsches, gespeicherte Kohlenstoff kann nach dem Tod des Tieres recycelt werden. Alternativ kann das Tier von einem Fleischfresser, wie einem Wolf, getötet und gefressen werden, wobei in diesem Fall das Recycling stattfindet, wenn der Fleischfresser stirbt. Abgestorbene Pflanzen- und Tierstoffe werden von anderen Organismen wie Pilzen und Bakterien zersetzt. Bei diesem Prozess wird Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid wieder in die Atmosphäre abgegeben.
Es gibt eine Reihe von Komplikationen innerhalb dieses allgemeinen Prozesses. Totes organisches Material kann beispielsweise manchmal unter Sedimenten vergraben werden, wodurch der Kohlenstoff für lebende Organismen nicht verfügbar ist. Dieses vergrabene Material hat Kohle- und Ölvorkommen gebildet, die heute von Menschen als fossile Brennstoffe genutzt werden. Bei der Verbrennung dieser Verbindungen entsteht Kohlendioxid, das in die Atmosphäre freigesetzt wird. Unter Wissenschaftlern besteht ein breiter Konsens darüber, dass steigende CO2-Werte durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe das Klima der Erde im globalen Maßstab verändern.
Kohlenstoff kann auch in Gesteinen eingeschlossen werden, wenn sich Kohlendioxid in Wasser auflöst. Einige Arten von Meeresorganismen können gelöstes Kohlendioxid mit Kalzium kombinieren, um Schalen zu bilden, die aus Kalziumkarbonat bestehen. Wenn diese Organismen sterben, sammeln sich die Schalen als Sediment an und bilden schließlich Kalkstein. Über lange Zeiträume kann Kalkstein durch geologische Prozesse an die Oberfläche gehoben werden, wo saures Wasser mit ihm reagieren kann, um CO2 wieder in die Atmosphäre freizusetzen.
Der Sauerstoffkreislauf
Dieser Kreislauf ist eng mit dem Kohlenstoffkreislauf verbunden und beginnt an derselben Stelle: der Photosynthese, die Sauerstoff an die Luft abgibt. Dieser wird wiederum von sauerstoffatmenden Organismen aufgenommen, die ihn mit Kohlenstoff verbinden und Kohlendioxid in die Atmosphäre abgeben. Das CO2 wird dann in der Photosynthese verwendet, um Sauerstoff wieder freizusetzen. Kohlendioxid aus anderen Quellen, wie der Zersetzung von totem organischem Material und der Verbrennung fossiler Brennstoffe, wird auch in der Photosynthese verwendet, um Sauerstoff zu produzieren.
Der Stickstoffkreislauf
Stickstoff ist ein wesentliches Element für alle bekannten Lebensformen und wird zur Bildung von Aminosäuren, Proteinen und DNA benötigt. Obwohl 78 % der Erdatmosphäre aus diesem Element besteht, kann es in dieser Form nicht direkt von Pflanzen genutzt werden. Moleküle des Gases bestehen aus zwei Atomen, die durch eine sehr starke Dreifachbindung zusammengehalten werden, was die Reaktion mit anderen Elementen sehr erschwert. Dennoch hat Stickstoff seinen eigenen Nährstoffkreislauf.
Es gibt zwei Hauptwege, wie dieses Element für lebende Organismen verfügbar werden kann. Normalerweise wird viel Energie benötigt, um die Bindungen zwischen den Atomen in einem Stickstoffmolekül aufzubrechen. Diese Energie kann von Blitzen stammen, die dazu führen, dass sich etwas Stickstoff mit Sauerstoff verbindet und Stickoxide bildet. Diese können sich im Regenwasser zu sehr verdünnter Salpetersäure auflösen, die mit Mineralien im Boden zu Nitraten reagiert. Nitrate sind wasserlöslich und können leicht von Pflanzen aufgenommen werden.
Der größte Teil des Stickstoffs in lebenden Organismen stammt aus einem Prozess, der als Stickstofffixierung bekannt ist. Dabei wird Luftstickstoff in Böden durch verschiedene Bakterienarten und einige Algen in Ammoniak umgewandelt. Eine solche Bakteriengruppe namens Rhizobium bildet Knötchen in den Wurzeln von Erbsen und Bohnen. Aus diesem Grund werden diese Pflanzen von Landwirten oft als Nutzpflanzen angebaut, wenn der Boden mit diesem Element angereichert werden muss.
Der so erzeugte Ammoniak wird dann von anderen Bakterienarten in Nitrate umgewandelt, die von Pflanzen aufgenommen werden. Ein anderer Prozess, Denitrifikation genannt, führt Stickstoffgas in die Atmosphäre zurück. Dies übernehmen wiederum Bakterien, die Nitrate im Boden zu Stickstoff reduzieren.
Der Mensch hat einen erheblichen Einfluss auf den Stickstoffkreislauf. Da Nitrate sehr gut wasserlöslich sind, können sie durch Regen schnell aus dem Boden entfernt werden. Bei intensivem Anbau müssen die verlorenen Nitrate oft durch Nitratdünger ersetzt werden. Diese Verbindungen werden industriell hergestellt, indem zunächst Luftstickstoff mit Wasserstoff zu Ammoniak und dann mit Sauerstoff zu Salpetersäure kombiniert wird, die zur Herstellung von Düngemitteln verwendet wird.
Der Phosphorkreislauf
Dieses Element ist wie Stickstoff ein wesentlicher Bestandteil der DNA. Es wird auch für die Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) benötigt, einer Verbindung, die Zellen zur Energiegewinnung verwenden. Die wichtigste natürliche Phosphorquelle ist Gestein. Durch Erosion und Verwitterung gelangt das Element in Form von Phosphaten in Wasser und Boden und wird von Pflanzen aufgenommen. Über Pflanzen- und Fleischfresser wandert es dann durch die Nahrungskette und kehrt nach dem Absterben dieser Organismen in den Boden zurück.
Phosphate können durch Regenwasser aus dem Boden ausgewaschen werden und sich in Seen und Flüssen ansammeln, wo ein Teil davon von Wasserpflanzen und anderen Organismen genutzt wird. Ein Teil des Phosphats unterliegt jedoch chemischen Reaktionen, die unlösliche Verbindungen bilden, die sich als Sedimente ablagern. Diese bilden schließlich Gestein und auf diese Weise kann Phosphor für sehr lange Zeiträume eingeschlossen werden – möglicherweise für Dutzende oder Hunderte von Millionen Jahren. Schließlich können geologische Prozesse dieses Gestein anheben, wodurch Erosion und Verwitterung es zu lebenden Organismen zurückführen können.
In Ackerflächen muss ebenso wie bei Stickstoff der aus dem Boden verlorene Phosphor oft durch Phosphatdünger ersetzt werden, damit die Landwirtschaft weiterhin rentabel ist. Diese Düngemittel werden hauptsächlich aus Phosphatgesteinen wie Apatit hergestellt. Die Verwendung von tierischem Dünger auf Ackerflächen ist ein weiteres Beispiel für die Zugabe von Phosphor in den Boden durch den Menschen. In einigen Fällen wird überschüssiges Phosphat in Flüsse und Seen gespült. Von hier aus kann es sich in Sedimenten ablagern, aber teilweise gelöst bleiben, was zu übermäßigem Algenwachstum führt.