Stikstofkringloop

Terwijl koolhydraten en vetten uit koolstof, waterstof en zuurstof bestaan, bevatten alle eiwitten daarnaast altijd stikstofatomen. Ook van stikstof bestaat een kringloop in de natuur.

Planten hebben een grote behoefte aan stikstof. Ze nemen nitraat (NO₃) en – in mindere mate – ammonium (NH₄) op uit de bodem. Ze maken daarvan hun lichaamseigen aminozuren en eiwitten. Ze zijn immers producenten.

De consumenten 1e orde eten plantaardige eiwitten op, breken ze af tot aminozuren en bouwen daarmee lichaamseigen – dierlijke – eiwitten. Consumenten 2e, 3e … orde eten dierlijke eiwitten, breken deze af tot aminozuren en vormen daaruit ook weer hun lichaamseigen dierlijke eiwitten.

Op twee manieren komen organische stikstofverbindingen terug in het ecosysteem:
(1) als dode resten van planten en dieren;
(2) als uitscheidingsproducten in ureum, urinezuur, ammoniak en uitwerpselen.

Hieronder zie je van enkele diergroepen welk type uitscheidingsproduct ze maken:

In de bodem leven rottingsbacteriën en andere reducenten. Ze leven van de stikstofhoudende organische resten van organismen, waarin nog steeds energie zit. Ze zetten die stoffen om in het anorganische ammonium. Rottingsbacteriën werken anaeroob, waarbij ammonium in de vorm van ammoniak de lucht in gaat (vandaar de stank). De anaerobe afbraak van eiwitten noem je rotting.

Wanneer er wel zuurstof is (aeroob), worden de stikstofverbindingen omgezet in nitriet en nitraat. Dit gedeelte van de stikstofkringloop heet nitrificatie: eerst zetten nitrietbacteriën ammonium om in nitriet, dat vervolgens doornitraatbacteriën omgezet wordt in nitraat (je ziet: in de naam van de bacteriën staat het product dat ze maken). Nitriet- en nitraatbacteriën zijn zogenoemde nitrificerende bacteriën, ze zijn chemo-autotroof.

De nitrificerende bacteriën moeten onder aerobe omstandigheden leven en komen dan ook alleen voor in een luchtige bodem. Als de bodem te vast is aangestampt, bijvoorbeeld door zware landbouwmachines, wordt de vruchtbaarheid minder: rottingsbacteriën kunnen er wel leven, maar nitrificerende bacteriën niet. Er ontstaat daardoor minder nitraat in de bodem. Het nitraat in de bodem wordt door planten opgenomen en zo is de stikstofkringloop gesloten.

 

Tot dusver lijkt de stikstofkringloop in grote lijnen op de koolstofkringloop. Maar: nitraat kan op drie manieren uit de kringloop verdwijnen (‘lekken’) en daardoor voor het ecosysteem verloren gaan.
(1) Nitraat kan ‘uitspoelen’: nitraat lost op in water dat naar diepere lagen wegsijpelt. Hierdoor wordt het onbereikbaar voor de plantenwortels. Dit gebeurt vooral in een humusarme grond en in zandige bodems.
(2) Nitraat wordt door denitrificerende bacteriën omgezet in stikstofgas (N₂), dat in de lucht terecht komt. Dedenitrificatie (vorming van N₂ uit nitraat) gebeurt onder anaerobe omstandigheden. Stikstofgas is voor de meeste soorten organismen op aarde een onbruikbaar gas: het wordt wel ingeademd, maar als zodanig niet in de weefsels opgenomen.
(3) Nog niet zo lang geleden werd een nieuwe schakel in de stikstofkringloop ontdekt, namelijk de anammox-bacterie (anvan anaeroob, amm van ammonium, ox van oxidatie). Deze bacterie is in staat tot de volgende omzetting: NH₄⁺ + NO₂^–(+ CO₂ + H₂O) ► N₂ + 2 H₂O (+ organische stoffen). Ook langs deze weg verdwijnen ammoniak en nitriet in de vorm van N₂ in de atmosfeer.

 

Stikstofgas in de lucht speelt toch een rol in de stikstofkringloop:
(1) Door elektrische ontladingen in de lucht bij onweer worden stikstofverbindingen gevormd uit stikstofgas en zuurstof. Deze komen met de regen in de bodem terecht. Boeren wisten al eeuwenlang dat onweer in het voorjaar een goede oogst kan opleveren.
(2) Een aantal plantensoorten, waaronder de familie van de Vlinderbloemigen, kan optimaal profiteren van bepaalde bacteriën die stikstofgas uit de lucht kunnen binden. Deze bacteriesoorten worden stikstofbindende bacteriën(nitrificeerders) genoemd. Ze zitten in speciale wortelknolletjes in de haarwortels van de plant. Ze leven van glucose van de plant en de plant onttrekt ammoniumionen en aminozuren aan de wortelknolletjes. Hier is dus sprake van mutualisme.
(3) Behalve de in symbiose levende nitrificeerders zijn er ook vrij levende nitrificeerders. Deze stikstofbindende bacteriën leven in de bodem en zetten daar stikstofgas om in nitraat.
(4) Verder vindt industriële stikstoffixatie plaats. Onder hoge druk, bij hoge temperatuur en met behulp van een katalysator laat men hierbij stikstofgas uit de lucht reageren met waterstof tot ammoniak. Dit ammoniak kan dan als kunstmest worden gebruikt, of als uitgangsproduct dienen voor de aanmaak van ureum en ammoniumnitraat.

Planten die wortelknolletjes hebben, kunnen worden ingezet voor groenbemesting. Daarbij zaait de boer deze planten op een akker en ploegt ze na een tijd onder. De planten vergaan dan natuurlijk samen met de knolletjes. Zo komt het nitraat die door de nitrificerende bacteriën is gemaakt in de bodem. Het gewas dat daarna op deze akker gezaaid wordt, profiteert hiervan, en de boer ook: er hoeft nu minder kunstmest te worden gebruikt. Vlinderbloemigen kunnen ook worden gezaaid in weilanden, waardoor het gras beter gaat groeien.