Der Stickstoffkreislauf einfach erklärt
Vertiefung zum ThemaStickstofffixierung
Das Stickstoffatom in einer Aminosäure deines Frühstücksbrots war vielleicht vor einem Jahr noch Luft, davor Teil eines Regenwurms und davor Nitrat im Grundwasser. Der Stickstoffkreislauf beschreibt, wie Bakterien Stickstoff von einer Form in die nächste umbauen. In Klausuren musst du die Schritte samt Bakterien sicher zuordnen, und für die Umweltdebatte über Dünger und Nitrat ist er der Schlüssel.
Kurz gesagt
Der Stickstoffkreislauf besteht aus fünf Hauptschritten: Bei der Fixierung wird Luftstickstoff (N₂) zu Ammonium. Pflanzen nehmen Ammonium und Nitrat auf und bauen sie in Eiweiß ein (Assimilation). Zersetzer setzen aus toten Lebewesen wieder Ammonium frei (Ammonifikation). Bakterien wie Nitrosomonas und Nitrobacter oxidieren Ammonium zu Nitrat (Nitrifikation). Ohne Sauerstoff machen andere Bakterien daraus wieder N₂ (Denitrifikation).
Das lernst du hier
- die fünf Schritte des Stickstoffkreislaufs mit Ausgangsstoff, Produkt und beteiligten Lebewesen beschreiben,
- erklären, warum Nitrifikation Sauerstoff braucht und Denitrifikation nur ohne Sauerstoff abläuft, und die Prozesse vergleichen,
- Daten zu Nitrat im Grundwasser und Lachgas auswerten,
- Maßnahmen gegen Stickstoffüberschüsse beurteilen.
Der Stickstoffkreislauf im Überblick
Stickstoff kommt in der Natur in vielen Formen vor. Fast der gesamte Vorrat steckt als N₂ in der Luft, die zu 78 Prozent daraus besteht. Lebewesen können damit kaum etwas anfangen. Für sie zählt reaktiver Stickstoff: Verbindungen wie Ammonium (NH₄⁺), Nitrit (NO₂⁻), Nitrat (NO₃⁻) und organische Stickstoffverbindungen in Eiweiß und DNA. Den Umbau zwischen diesen Formen erledigen überwiegend Mikroorganismen. Jeder Schritt ist für eine bestimmte Bakteriengruppe eine Energiequelle oder ein Weg, an Baustoffe zu kommen.
| Schritt | Umwandlung | Wer? | Bedingung |
|---|---|---|---|
| Fixierung | N₂ → NH₃/NH₄⁺ | Knöllchenbakterien, Cyanobakterien, freilebende Bodenbakterien | Nitrogenase, viel ATP, kaum Sauerstoff am Enzym |
| Assimilation | NO₃⁻, NH₄⁺ → Aminosäuren, Eiweiß | Pflanzen, Pilze, Bakterien | Energie aus Fotosynthese bzw. Atmung |
| Ammonifikation | organischer N → NH₄⁺ | Destruenten (Bakterien, Pilze) | tote Biomasse, Ausscheidungen |
| Nitrifikation | NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ | Nitrosomonas, Nitrobacter u. a. | nur mit Sauerstoff |
| Denitrifikation | NO₃⁻ → … → N₂O → N₂ | z. B. Pseudomonas, Paracoccus | ohne Sauerstoff, z. B. in nassem Boden |
Die Schritte im Detail
- Fixierung: der EinstiegNur Bakterien und Archaeen mit dem Enzym Nitrogenase können die Dreifachbindung im N₂ knacken. Den größten natürlichen Beitrag an Land leisten Knöllchenbakterien in Hülsenfrüchtlern, im Meer Cyanobakterien. Wie die Symbiose an der Wurzel abläuft, zeigt die Seite über Knöllchenbakterien. Kleinere Mengen entstehen durch Blitze.
- Assimilation: Stickstoff wird BaustoffPflanzen nehmen Nitrat und Ammonium über die Wurzeln auf. Nitrat reduzieren sie in zwei Schritten zu Ammonium und bauen es dann in die Aminosäure Glutamin ein. Von ihr aus gelangt der Stickstoff in alle anderen Aminosäuren, in Nukleotide und Chlorophyll. Tiere erhalten ihren Stickstoff über die Nahrung.
- Ammonifikation: zurück aus der BiomasseStirbt ein Lebewesen oder scheidet ein Tier Harnstoff aus, zerlegen Bakterien und Pilze die Stickstoffverbindungen. Dabei wird Ammonium frei. Fachleute sprechen auch von Mineralisierung.
- Nitrifikation: Energie aus AmmoniumNitrifizierende Bakterien oxidieren Ammonium mit Sauerstoff zu Nitrit (Nitrosomonas) und Nitrit weiter zu Nitrat (Nitrobacter). Die freiwerdende Energie nutzen sie, um aus CO₂ ihre Zellbausteine aufzubauen. Sie sind chemolithoautotroph: Sie brauchen weder Licht noch organische Nahrung.
- Denitrifikation: zurück in die LuftWo kein Sauerstoff ist, etwa in wassergesättigtem Boden oder im Schlamm, atmen manche Bakterien mit Nitrat statt mit Sauerstoff. Schritt für Schritt entstehen Nitrit, Stickstoffmonoxid, Lachgas und schließlich N₂, das in die Luft entweicht. Damit schließt sich der Kreislauf.
Merke
Fixierung (N₂ → Ammonium), Assimilation (Aufnahme in Biomasse), Ammonifikation (Biomasse → Ammonium), Nitrifikation (Ammonium → Nitrit → Nitrat, braucht Sauerstoff) und Denitrifikation (Nitrat → N₂, ohne Sauerstoff) bilden den Stickstoffkreislauf. Nitrifikation und Denitrifikation klingen ähnlich, laufen aber unter entgegengesetzten Bedingungen in entgegengesetzte Richtung.
Typische Fehler
- Nitrifikation und Denitrifikation verwechseln: Nitrifikation baut Nitrat auf (mit Sauerstoff), Denitrifikation baut es ab (ohne Sauerstoff).
- „Ammonifikation ist das Binden von Ammoniak.“ Falsch: Bei der Ammonifikation wird Ammonium aus organischem Material freigesetzt.
- „Nitrosomonas macht Nitrat.“ Ungenau: Nitrosomonas bildet Nitrit, erst Nitrobacter macht daraus Nitrat.
- „Im Kreislauf geht nichts verloren.“ Für die Erde stimmt das, für einen Acker nicht: Ausgewaschenes Nitrat und entweichende Gase fehlen dort und belasten Grundwasser und Luft.
Wie der Mensch den Stickstoffkreislauf verändert
Seit Anfang des 20. Jahrhunderts fixiert der Mensch selbst Stickstoff: industriell im Haber-Bosch-Verfahren, auf dem Acker durch den Anbau von Hülsenfrüchtlern und unbeabsichtigt bei Verbrennungsprozessen. Eine viel zitierte Bilanz (Fowler u. a. 2013) schätzt, dass weltweit jährlich rund 413 Millionen Tonnen reaktiver Stickstoff neu entstehen und etwa die Hälfte davon auf menschliche Aktivitäten zurückgeht. Der Kreislauf läuft dadurch schneller, und an mehreren Stellen entstehen Überschüsse.
Stickstoffüberschuss: Das Umweltbundesamt (UBA) vergleicht, wie viel Stickstoff in die landwirtschaftlichen Flächen Deutschlands hineingeht und wie viel mit der Ernte wieder herauskommt. Der Überschuss sank im gleitenden Fünfjahresmittel von 117 kg pro Hektar und Jahr (1992) auf 82 kg (2019). Die Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung strebt 70 kg an.
Nitrat im Grundwasser: Was die Pflanzen nicht aufnehmen, wird als Nitrat mit dem Sickerwasser ausgewaschen, denn Nitrat ist negativ geladen und wird von Bodenteilchen kaum festgehalten. 2024 lagen laut UBA an 15,7 Prozent von 1147 untersuchten Messstellen des bundesweiten Messnetzes für die Europäische Umweltagentur mehr als 50 mg Nitrat pro Liter im Grundwasser, also über dem Grenzwert der Trinkwasserverordnung. Messstellen mit überwiegend landwirtschaftlichem Einfluss überschritten den Wert im Mittel der Jahre 2020 bis 2022 fast dreimal so häufig (21,2 Prozent) wie solche mit Siedlungs- oder Waldeinfluss (7,1 Prozent). Das wiegt schwer, weil rund 74 Prozent des Trinkwassers in Deutschland aus Grundwasser stammen.
Lachgas: Bei Nitrifikation und Denitrifikation entsteht als Nebenprodukt Lachgas (N₂O), ein langlebiges Treibhausgas. Über 100 Jahre gerechnet wirkt ein Kilogramm etwa 270- bis 300-mal so stark wie ein Kilogramm Kohlendioxid; der genaue Wert hängt vom Berechnungsstand des Weltklimarats ab. Nach Schätzung des UBA stammten 2025 knapp 76 Prozent der deutschen Lachgas-Emissionen aus der Landwirtschaft, vor allem aus gedüngten Böden und Wirtschaftsdünger.
Gegenmaßnahmen setzen an den Kreislaufschritten an: nur so viel düngen, wie die Pflanze braucht und wenn sie es aufnehmen kann; Zwischenfrüchte säen, die im Herbst Nitrat festhalten; Gülle bodennah ausbringen; Hülsenfrüchtler in die Fruchtfolge nehmen. Die Düngeverordnung schreibt dazu unter anderem eine Bedarfsermittlung und Sperrfristen im Winter vor.
Wusstest du?
Kläranlagen nutzen den Stickstoffkreislauf gezielt: In belüfteten Becken wandeln Bakterien Ammonium aus dem Abwasser in Nitrat um, in unbelüfteten Becken machen andere Bakterien daraus N₂. So wird Stickstoff aus dem Wasser entfernt, bevor es in Flüsse gelangt. Mehr dazu auf der Seite Kläranlage: Wie Bakterien Abwasser reinigen.
Vertiefung Oberstufe: Abkürzungen im Kreislauf – Anammox und Comammox
Lange galt der Kreislauf als vollständig verstanden. Dann stießen Forschende in den 1990er-Jahren in einer Kläranlage in den Niederlanden auf Bakterien, die Ammonium und Nitrit ohne Sauerstoff direkt zu N₂ umsetzen: Anammox (anaerobe Ammonium-Oxidation). Vereinfacht gilt NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + 2 H₂O. Diese Bakterien aus der Gruppe der Planctomyceten besitzen ein eigenes Membranabteil für die Reaktion, in dem das giftige Zwischenprodukt Hydrazin gebildet wird. Heute weiß man, dass Anammox in sauerstoffarmen Meereszonen einen großen Teil des Stickstoffverlusts verursacht. In Kläranlagen spart das Verfahren Energie, weil weniger belüftet werden muss.
2015 folgte die nächste Überraschung: Einige Bakterien der Gattung Nitrospira können Ammonium allein vollständig bis zum Nitrat oxidieren. Diese Comammox-Bakterien (von complete ammonia oxidation) widerlegen die Lehrbuchregel, dass für die Nitrifikation immer zwei Bakteriengruppen nötig sind. Die klassische Aufteilung auf Nitrosomonas und Nitrobacter bleibt für die Schule richtig, ist aber nur ein Teil der Wirklichkeit. Auch Archaeen oxidieren in vielen Böden und im Meer Ammonium.
Für die Umwelt ist eine weitere Frage zentral: Wann entsteht bei der Denitrifikation N₂ und wann bleibt sie beim Lachgas stehen? Der letzte Schritt, N₂O → N₂, wird von einem eigenen Enzym, der Lachgasreduktase, katalysiert. Fehlt es den Bakterien oder wird es gehemmt, etwa in sauren Böden, entweicht mehr Lachgas. Deshalb können Bodenzustand, Kalkung und Düngetechnik die Klimabilanz eines Ackers deutlich beeinflussen.
Fachbegriffe
- Reaktiver Stickstoff
- Alle Stickstoffverbindungen außer N₂, z. B. Ammonium, Nitrat, Lachgas und organischer Stickstoff.
- Assimilation
- Aufnahme von Nitrat oder Ammonium und Einbau in körpereigene Stoffe wie Aminosäuren.
- Ammonifikation
- Freisetzung von Ammonium aus organischen Stickstoffverbindungen durch Destruenten.
- Nitrifikation
- Oxidation von Ammonium über Nitrit zu Nitrat durch Bakterien; braucht Sauerstoff.
- Denitrifikation
- Abbau von Nitrat zu N₂ (und Lachgas) durch Bakterien ohne Sauerstoff.
- Destruenten
- Zersetzer wie Bakterien und Pilze, die tote Biomasse abbauen.
Aufgaben
AFB I Wissen wiedergeben AFB II Anwenden AFB III Beurteilen
- AFB IBeschreibe den Weg eines Stickstoffatoms von einem abgestorbenen Kleeblatt bis in eine Weizenpflanze. Nenne dabei die Prozesse und die beteiligten Bakterien.
Lösung anzeigen
Destruenten zersetzen das Blatt, dabei wird Ammonium frei (Ammonifikation). Nitrifizierende Bakterien oxidieren Ammonium zu Nitrit (Nitrosomonas) und weiter zu Nitrat (Nitrobacter). Der Weizen nimmt Nitrat oder schon das Ammonium über die Wurzeln auf und baut den Stickstoff in Aminosäuren ein (Assimilation).
- AFB IIErkläre, warum auf einem staunassen, verdichteten Acker Stickstoff verloren geht, während auf einem gut durchlüfteten Boden vor allem Nitrat gebildet wird.
Lösung anzeigen
In staunassem Boden sind die Poren mit Wasser gefüllt, Sauerstoff fehlt. Dort nutzen denitrifizierende Bakterien Nitrat statt Sauerstoff für ihre Atmung und setzen N₂ und Lachgas frei, die in die Luft entweichen. In gut durchlüftetem Boden ist genug Sauerstoff vorhanden; nitrifizierende Bakterien oxidieren Ammonium zu Nitrat, die Denitrifikation ist gehemmt.
- AFB IIWerte die UBA-Daten aus: 2024 lagen 15,7 % der Messstellen über 50 mg Nitrat pro Liter; bei landwirtschaftlich beeinflussten Messstellen waren es 21,2 %, bei Siedlungs- oder Waldeinfluss 7,1 % (2020–2022). Formuliere eine begründete Schlussfolgerung und nenne eine Einschränkung.
Lösung anzeigen
Schlussfolgerung: Grundwasser unter landwirtschaftlich genutzten Flächen ist etwa dreimal so häufig zu stark mit Nitrat belastet. Das spricht dafür, dass Stickstoffdüngung eine Hauptursache ist, weil Nitrat, das Pflanzen nicht aufnehmen, ausgewaschen wird. Einschränkungen: Die Zahlen stammen aus verschiedenen Messnetzen und Zeiträumen; auch Bodenart, Niederschlag und die Fließzeit des Grundwassers beeinflussen die Werte. Nitrat, das heute gemessen wird, kann vor Jahren eingetragen worden sein.
- AFB IIIEine Gemeinde mit hohen Nitratwerten im Trinkwasserbrunnen diskutiert zwei Vorschläge: (a) die Düngung auf den Feldern im Einzugsgebiet streng begrenzen, (b) eine Anlage bauen, die Nitrat aus dem Rohwasser entfernt. Beurteile beide Vorschläge.
Lösung anzeigen
(a) setzt an der Ursache an und schützt Grundwasser, Gewässer und Klima (weniger Lachgas). Nachteile: Ertragseinbußen und Kosten für die Betriebe, Wirkung erst nach Jahren, weil Grundwasser langsam fließt; Ausgleichszahlungen oder Beratung können nötig sein. (b) wirkt schnell und sicher für das Trinkwasser, behandelt aber nur das Symptom; die Belastung des Grundwassers und anderer Gewässer bleibt, und die Kosten tragen alle Wasserkunden. Ein begründetes Urteil kann eine Kombination vorschlagen: kurzfristig Aufbereitung oder Mischen mit unbelastetem Wasser, langfristig Begrenzung der Einträge.
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Quellen & Stand
- Umweltbundesamt: Nähr- und Schadstoffe im Grundwasser (Nitratdaten 2024, Nitratbericht 2024, Stickstoffüberschuss).
- Umweltbundesamt: Beitrag der Landwirtschaft zu den Treibhausgas-Emissionen (Schätzung für 2025).
- Fowler, D. u. a.: The global nitrogen cycle in the twenty-first century. Philosophical Transactions of the Royal Society B 368 (2013), 20130164.
- Umweltbundesamt: Die Treibhausgase (Treibhauspotenzial von Lachgas).
Stand: Oktober 2026.