Stickstofffixierung

Schematische Darstellung des Stickstoffkreislaufs in der Natur

Unter Stickstofffixierung versteht man allgemein jegliche Umwandlung des chemisch inerten elementaren, molekularen Stickstoffs (N₂). Sie ist ein wichtiger Teil des Stickstoffkreislaufs.

Man unterscheidet:

• biotische Stickstofffixierung (durch Mikroorganismen)
• abiotische Stickstofffixierung (Bildung von Stickoxiden durch Verbrennungen oder Blitzschlag) und
• technische Stickstofffixierung (siehe Haber-Bosch-Verfahren).

Biotische Stickstofffixierung

Durch einige Mikroorganismen wird elementarer, molekularer Stickstoff (N₂) zu Verbindungen reduziert, die reaktiver und insbesondere bioverfügbar sind. Der Prozess ist aufgrund der sehr stabilen Dreifachbindung molekularen, elementaren Stickstoffs mit 946 Kilojoule je Mol äußerst energieaufwändig.

$\mathrm{N_2 + 8 \ H^+ + 8 \ e^- \longrightarrow 2 \ NH_3 + H_2 \!}$

Mikroorganismen, die Stickstoff fixieren können (Stickstofffixierer), sind entweder freilebend oder leben in Symbiose mit Pflanzen. Bekannte freilebende Vertreter sind die Gattungen Azotobacter, Azomonas und Cyanobakterien, letztere fixieren den Stickstoff oft in spezialisierten Zellen, sogenannten Heterozysten. Die bekanntesten symbiotisch lebenden Stickstofffixierer sind Knöllchenbakterien (beispielsweise bei Leguminosen) und Frankia (bei verholzenden Pflanzen wie Erlen).

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.

Siehe auch: Diazotrophie

Abiotische Stickstofffixierung

Durch Blitzschlag bei Gewittern, Verbrennung und Vulkane: aus Stickstoff und Sauerstoff der Luft entstehen Stickoxide, die mit Wassertröpfchen in der Atmosphäre zu Salpetriger Säure bzw. Salpetersäure reagieren und als Saurer Regen in den Boden gelangen.

$\mathrm{ N_2 + O_2 \quad \rightarrow \quad 2\,NO }$

$\mathrm{ 4\,NO + 3\,O_2 + 2\,H_2O \quad \rightarrow \quad 4\,HNO_3 }$

Technische Stickstofffixierung

Nach dem Haber-Bosch-Verfahren kann N₂ reduziert werden. Der Prozess benötigt eine Temperatur von 500 °C, einen Druck von 450 bar und Katalysatoren. Die Reduktion ist ähnlich wie unter (2). Meist wird dieser Ammoniak in nitrathaltige Düngemittel umgesetzt.

Bei der Azotierung wird Stickstoff zur Darstellung von Kalkstickstoff gemäß folgender Reaktionsgleichung fixiert:

$\mathrm{CaC_2 + N_2 \longrightarrow \ Ca(CN)_2}$ $\mathrm{\longrightarrow \ Ca^{2+}\ ^-N=C=N^- \ + C}$

Weitere Bedeutung

Zudem wird mit Stickstofffixierung die Festlegung des Bodenstickstoffs in der organischen Substanz bezeichnet, wenn ein ungünstiges Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis (C/N-Verhältnis) vorliegt. Der Grund liegt hierbei im Stickstoffbedarf der abbauenden Mikroorganismen. So lässt sich bei der Ausbringung stickstoffarmer Mulchmaterialien wie Sägespäne, Holzhäcksel oder Rindenhäcksel ein Stickstoffmangel der Kulturpflanzen beobachten. Daher kann es günstig sein, solche Materialien vorher zu kompostieren, oder zusätzlich einen Stickstoffdünger zu geben. Der gebundene Stickstoff wird mit dem Abbau der organischen Stoffe langfristig wieder freigesetzt.