Stickstoff

Nur einige Bakterienarten sind zur Spaltung der Dreifachbindung von N2 befähigt. Diese Bakterien, die sowohl in Symbiose mit Pflanzen (Knöllchenbakterien) als auch freilebend vorkommen (Rhizotobacter), sind von der Zufuhr
organischer Substrate abhängig.

siehe Bild

Knölchenbakterien sind auf Wurzeln von Leguminosen (Bohnen usw) angesiedelt und fixieren elementaren Stickstoff. Die Reaktion selber läuft anaerob. Dieses Millieu wird von der Pflanze generiert durch O2-bindendes Leghaemoglobin, durch Difusionsschranken oder intensive oxidative Atmung.

                         Nitrogenase
N2 + 8H+ + 8e-        ->       2 NH3 + H2
                        16-24 ATP

siehe Bild

Nitrifizierende Bakterien (Nitrifikanten) oxidieren Ammonium zu Nitrat und nutzen die dabei gewonnene Energie zur autotrophen CO2-Fixierung (chemolithotropher Stoffwechsel). Die Nitrifikation läuft in zwei Teilschritten ab, wobei zwei Bakteriengruppen beteiligt sind

Ammonium-Oxidierer: (Nitrosomonas)
NH4+ + 1,5 O2     ->    NO2- + 2 H+ + H2O G0' = -275 kJ/mol
Nitrit-Oxidierer (Nitrobacter)
NO2- + 0,5 O2    ->    NO3- G0' = -76 kJ/mol
Nitrifikation als Summe beider Reaktionen
NH4+ + 2 O2      ->     NO3- + 2 H+ + H2O

Was hemmt die Nitrifikation?
Die Nitrifikation kann durch die spezielle Umweltbedingungen oder durch spezifische Chemikalien gehemmt werden. Gehemmt wird die Nitrifikation durch:
- chemische Stoffe wie ACT oder Nitrapyrin.
- pH < 6,5.
- Sauerstoffgehalt < 2 mg/Liter.
- Temperaturen <12 °C.

5 C6H12O6 + 24 NO3-     ->     24 HCO3- + 6 CO2 + 18 H2O + 12 N2
Unter anaeroben Bedingungen kann Nitrat als Wasserstoffakzeptor für eine Form der anaeroben Atmung dienen. Diese Reaktion wird die dissimilatorische Nitratreduktion oder Denitrifikation genannt. Bei dieser Reaktion entstehen elementarer Stickstoff und in geringen Mengen auch N2O. Die Denitrifikation ist der Hauptprozess der Freisetzung von elementarem Stickstoff in die Atmosphäre.
Die Denitrifikation erfolgt erst dann, wenn der Sauerstoff nahezu verbraucht ist. Sie ist also eine Art Konkurrenzreaktion zur Atmung, wenn der Sauerstoff fehlt.

Nitrat und auch Nitrit dienen dem Organismus als terminaler Elektronenakzeptor (diese Rolle hat bei aeroben Verhältnissen der Sauerstoff). Die Energieausbeute mit Denitrifikation für Glucose ist verglichen mit der Atmung mit Sauerstoff geringer (etwa 40%). Bei der Denitrifikation entsteht als Zwischenprodukt oft Lachgas (N2O), das aus den Böden entweicht und einen Beitrag an den Treibhauseffekt leistet. Ebenfalls entsteht HCO3- was zu einer Anhebung des pH-Wertes führen kann

Der Mensch scheidet N-Verbindungen über die Nieren als Harnststoff CO(NH2)2 aus. Dieser wird durch das Enzym Urease (schon im Biofilm der Kanalisation) rasch zu Ammoniak (im Wasser Ammonium) abgebaut. In den Kläranlagen fällt also Ammonium an.
H2N – CO–NH2 + 3 H20    ->    2NH4+ + 2 OH- + CO2
                                          Urease

Schätzungen sagen, dass bis zu 30 bis 50% der globalen Verluste an N-haltigen Nährstoffen durch den Anammoxprozess verloren gehen.

NO2- + NH4+    ->     N2 + 2 H2O

Das Anammox-Verfahren wird vor allem in der Behandlung von stark ammoniumhaltigen Wässern eingesetzt, z.B. Wasser aus der anaeroben Schlammentwässerung.

Das Anammoxverfahren scheint für die Abwasserreinigung aus folgenden Gründen attraktiv:
es entsteht weniger Biomasse (weniger Schlammentsorgung, weniger Kosten).
die N-Elimination ist vollständig.
es braucht weniger Sauerstoffeintrag, als wenn zuerst nitrifiziert und dann denitrifiziert wird (weniger Energieeintrag des Gebläses, weniger Kosten)

Die Überdüngung mit Stickstoff hat negative Wirkungen auf die Umwelt.
Emission von N2O (Distickstoffoxid, Lachgas) in die Atmosphäre. Es trägt bei zur Zerstörung der Ozonschicht in der Stratosphäre und zum Treibhauseffekt.
Überdüngung von Wäldern durch Auswaschung von Nitrat aus der Atmosphäre.
Nitratbelastung des Grundwassers und damit der Trinkwasservorräte.
Eutrophierung von Gewässern (Nordsee).
Korrosionschäden an Gebäuden durch die Säurebildung bei der Nitrifikation von Ammoniak.
Überdüngung von Magerwiesen, verschwinden der typischen Flora (z.B. Orchideen), da sich andere Pflanzen durchsetzen.
Beitrag zum sauren Regen.