Bio-PHZH | Themenkreis 5: Stoffkreisläufe und Energieflüsse

Das von den Produzenten gebildete organische Material durchläuft die Nahrungskette und wird von Konsumenten und Destruenten wieder zu anorganischem Material (Kohlendioxid und Mineralstoffen) für die Produzenten abgebaut.

Die Stoffe befinden sich also im Gegensatz zur Energie, die einem Ökosystem ständig zugeführt werden muss, in einem Kreislauf. Wir sprechen darum vom Energiedurchfluss und vom Stoffkreislauf. Im Idealfall ist die Zahl bzw. die Leistung von Produzenten, Konsumenten und Destruenten in einem Ökosystem so ausgewogen, dass sich Auf- und Abbau der organischen Stoffe die Waage halten: Der Stoffkreislauf ist geschlossen.

Jedes Element, das in den Verbindungen der Lebewesen vorkommt, durchläuft (meist in Form verschiedener Verbindungen) einen Kreislauf, in dessen Verlauf es von den Lebewesen aus der unbelebten Natur aufgenommen wird und später wieder abgegeben wird. Dabei spielen sowohl biologische als auch geochemische Prozesse eine Rolle.

Kohlenstoff ist ein Grundbestandteil aller organischen Verbindungen. Sein Weg durch Ökosysteme verläuft stärker, als der anderer Elemente, parallel zum Weg der Energie.

In der Fotosynthese werden Kohlenwasserstoffe (z.B. Glucose) gebildet und bei der Zellatmung werden Kohlendioxid und Energie freigesetzt.

Im Kohlenstoffkreislauf stellen die gegenläufigen Prozesse von Fotosynthese und Zellatmung eine Verbindung zwischen der Atmosphäre und terrestrischen Ökosystemen her.

Pflanzen bauen aus Kohlenstoff der Atmosphäre Biomasse auf.

- Ein Teil dieser organischen Substanz wird dann zur Kohlenstoffquelle für Konsumenten.

- Durch die Zellatmung aller Organismen gelangt Kohlendioxid wieder zurück in die Atmosphäre.

Jährlich nimmt die Vegetation etwa ein Siebtel des in der Atmosphäre enthaltenen Kohlendioxids auf; diese Menge wird durch die Zellatmung ungefähr (aber nicht exakt) ausgeglichen.

Ein Teil des Kohlenstoffs kann über längere Zeiträume aus dem Kreislauf entfernt werden:

- in Holz oder anderer dauerhafter organischer Substanz

- durch Zersetzung gelangt dieser Kohlenstoff in die Atmosphäre zurück (beschleunigt z.B. bei Bränden)

Bestimmte Prozesse können Kohlenstoff allerdings auch fUr Jahrmillionen aus dem Kurzzeitkreislauf entfernen:

In manchen Ökosystemen sammeln sich organische Abfälle sehr viel schneller als die Destruenten sie abbauen können. Unter bestimmten Bedingungen entstehen aus diesen Ablagerungen schliesslich Kohle und Erdöl, die als nicht verfügbare organische Nährstoffe eingeschlossen werden.

Kohlendioxid löst sich zudem im Wasser und kann (über Kohlensäure) zu Hydrogencarbonat reagieren. Carbonate aus dem Wasser lagern sich als Sedimente ab. Dazu tragen auch Lebewesen durch die Bildung von Schalen und Ähnlichem bei. Diese Ablagerung geschieht sehr langsam, hat aber in Jahrmillionen zu gewaltigen Carbonatdepots geführt.

in den organischen Verbindungen der Lebewesen und ihrer Reste

als Kohlendioxid in der LuV und im Wasser gelöst

in Carbonaten wie Kalk im Boden, in Gesteinen und im Wasser gelöst

in fossilen organischen Kohlenstoffverbindungen in Kohle, Erdöl und Erdgas

Kohlendioxid löst sich im Wasser, kann auch wieder in die Luftentweichen.

Carbonate aus dem Wasser lagern sich als Sedimente ab. Dazu tragen auch Lebewesen durch die Bildung von Schalen bei.

Photosynthese: Dabei werden – durch die Fixierung von CO2 aus der Luft mit Hilfe der Sonnenenergie – Kohlenstoffverbindungen, also Biomasse, aufgebaut.

Zellatmung: Dabei werden die Kohlenstoffverbindungen zur Energiegewinnung wieder abgebaut – wobei das CO2 wieder in die Luft freisetzt wird.

Durch die moderne Technik kehrt nun aber auch der in früheren Erdepochen deponierter, fossiler Kohlenstoff (Kohle, Erdöl, Erdgas) in verstärktem Mass in den CO2–Pool der Atmosphäre zurück. CO2–Konzentration in der Luft bleibt nicht konstant.

Nur ein sehr geringer Anteil der gesamten Wassermenge der Erde ist in lebenden Organismen gebunden; für diese aber ist Wasser lebensnotwendig.

Der grösste Teil der am Wasserkreislauf beteiligten Wassermassen zirkuliert, über Verdunstung und Niederschläge, zwischen den Meeren und der Atmosphäre.

Von den Meeren verdunstet mehr Wasser, als in Form von Niederschlägen auf sie fällt. Der restliche Wasserdampf wird vom Wind auf das Festland transportiert. Auf dem Festland übersteigen die Niederschläge die Verdunstung; Oberflächengewässer und Grundwasser enstehen. Dieses Wasser strömt zurück ins Meer, wodurch sich der Hauptteil des Kreislaufs schliesst.

Der Wasserkreislauf unterscheidet sich insofern von den anderen Kreisläufen, als der Fluss von Wasser durch Ökosysteme grösstenteils physikalisch und nicht durch chemische Prozesse erfolgt; die Verbindung H20 bleibt erhalten.

Ausnahme ist die chemische Umwandlung von Wasser in der Fotosynthese und seine Bildung bei der Zellatmung.

Stickstoff N2 kommt in der Luft zu 78%‐Vol‐% vor.

Stickstoff ist Bestandteil von Aminosäuren und Nucleotiden.

Pflanzen nehmen Stickstoff in Form von Nitrat (N03‐) oder Ammonium (NH4+) aus dem Boden auf.

Manche Bakterien können atmosphärischen Stickstoff N2 nutzen, sie leben in Wurzelknöllchen manchen Pflanzen.

Konsumenten und Destruenten verwerten die Stickstoffverbindungen für den Eigenbedarf. Überschüssiger Stickstoff wird als Ammoniak oder als Harnstoff bzw. Harnsäure abgegeben und dann in Ammonium umgewandelt.

Nitrifizierende Bakterien bauen anschliessend Ammonium über Nitrit zu Nitrat ab, das damit den Pflanzen wieder verfügbar wird.

Denitrifizierende Bakterien bilden aus Nitraten wieder N2 und der

Kreislauf schliesst sich.