Stickstoff ist Bestandteil lebenswichtiger organischer Verbindungen in Mikroorganismen wie Aminosäuren, Proteinen und DNA. Die gasförmige Form von Stickstoff (N2) macht 78 % der Troposphäre aus. Man könnte meinen, dass dies bedeutet, dass wir immer reichlich Stickstoff zur Verfügung haben, aber leider ist das nicht der Fall. Stickstoff in gasförmiger Form kann nicht von Pflanzen und Tieren aufgenommen und als Nährstoff verwendet werden; er muss zunächst von nitrifizierenden Bakterien umgewandelt werden, damit er als Teil des Stickstoffkreislaufs in die Nahrungskette gelangen kann.
Bei der Umwandlung von Stickstoff wandeln Cyanobakterien den Stickstoff zunächst in Ammoniak und Ammonium um, während des Stickstofffixierungsprozesses. Pflanzen können Ammoniak als Stickstoffquelle nutzen.
Die Stickstofffixierung erfolgt nach der folgenden Reaktion:
N2 + 3 H2 -> 2 NH3
Nach der Ammoniumfixierung wird das gebildete Ammoniak und Ammonium im Rahmen des Nitrifikationsprozesses weiter übertragen. Aerobe Bakterien nutzen Sauerstoff zur Umwandlung dieser Verbindungen. Nitrosomonas-Bakterien wandeln zunächst Stickstoffgas in Nitrit (NO2-) um, und Nitrobacter wandeln anschließend Nitrit in Nitrat (NO3-) um, einen Pflanzennährstoff.
Die Nitrifikation läuft nach folgenden Reaktionen ab:
2 NH3 + 3O2 – > 2 NO2 + 2 H+ + 2 H2O
2 NO2- + O2 -> 2 NO3-
Pflanzen nehmen Ammonium und Nitrat während des Assimilationsprozesses auf, woraufhin sie in stickstoffhaltige organische Moleküle, wie Aminosäuren und DNA, umgewandelt werden.
Tiere können Nitrate nicht direkt aufnehmen. Wenn die Stickstoffnährstoffe ihren Zweck in Pflanzen und Tieren erfüllt haben, setzen spezialisierte Zersetzungsbakterien einen Prozess in Gang, der Ammonifikation genannt wird, um sie wieder in Ammoniak und wasserlösliche Ammoniumsalze umzuwandeln. Nachdem die Nährstoffe wieder in Ammoniak umgewandelt wurden, werden sie von anaeroben Bakterien in einem Prozess, der als Denitrifikation bezeichnet wird, wieder in Stickstoffgas umgewandelt.
Die Denitrifikation läuft nach der folgenden Reaktion ab:
NO3- + CH2O + H+ -> ½ N2O + CO2 + 1½ H2O
Am Ende wird der Stickstoff wieder in die Atmosphäre freigesetzt. Nach der Freisetzung beginnt der ganze Prozess von vorne.
Eine schematische Darstellung des Stickstoffkreislaufs ist hier zu sehen:
Stickstoff als limitierender Faktor
Obwohl die Stickstoffumwandlungsprozesse oft stattfinden und große Mengen an Pflanzennährstoffen produziert werden, ist Stickstoff oft ein limitierender Faktor für das Pflanzenwachstum. Dieser Fehler wird durch das über den Boden fließende Wasser verursacht. Stickstoffnährstoffe sind wasserlöslich und werden daher leicht abgeleitet, so dass sie für Pflanzen nicht mehr zur Verfügung stehen.
Die Annamox-Reaktion
1999 entdeckten Forscher an den Gist-Brocades in Delft, Niederlande, eine neue Reaktion, die dem Stickstoffkreislauf hinzugefügt werden sollte, die so genannte Annamox-Reaktion. Diese Reaktion kommt nun auch im Schwarzen Meer vor. Bei der Reaktion werden Nitrit und Ammonium in reines Stickstoffgas (N2) umgewandelt, das dann in die Atmosphäre entweicht. Der Reaktionsmechanismus wird durch ein neu entdecktes Bakterium namens Brocadia anammoxidans ausgelöst. Dabei handelt es sich offenbar um ein kompartimentiertes Bakterium; innerhalb der Zellmembran finden sich zwei Kompartimente, die ebenfalls von einer Membran umgeben sind, ein sehr seltenes Phänomen. Zu den Zwischenprodukten der Reaktion gehören Hydroxylamin und giftige Hydrazinverbindungen. Es wurde festgestellt, dass die bakteriellen Membranen aus schlecht durchlässigen Membranen bestehen, von denen man annimmt, dass sie als Barriere für die in der Zelle produzierten Hydrazine dienen. Diese Entdeckung hat große Konsequenzen, da sie den gesamten Beitrag der Ozeane zur Stickstoffbilanz verändert.