Stikstofkringloop

Alle organismen hebben stikstof nodig omdat het een essentieel bestanddeel is van alle aminozuren, eiwitten, DNA en van co-enzymen.

Van de totale hoeveelheid aanwezige stikstof op aarde (10¹⁵ ton) bevindt zich 99 % in de aardatmosfeer. Alleen speciale bacteriën, in het bijzonder de cyanobacteriën, stikstofknolletjesbacteriën van de familie van de Rhizobiaceae en bacteriën van het geslacht Rhizobium in symbiose met vlinderbloemige planten kunnen de stikstof uit de lucht omzetten in ammonium. Alle andere planten, dieren inclusief de mens kunnen geen stikstof uit de lucht opnemen en zijn afhankelijk van de vastgelegde stikstof in de biosfeer.

De stikstofkringloop bestaat uit de volgende processen:[1]

1. Vastleggen van stikstof uit de lucht door:
   • speciale bacteriën, in het bijzonder de cyanobacteriën, Azotobacter (een geslacht van bodembacteriën), Paenibacillus azotofixans, stikstofknolletjesbacteriën van de familie van de Rhizobiaceae en bacteriën van het geslacht Rhizobium in de wortelknolletjes van vlinderbloemige planten. Deze bacteriën maken ammonium aan. Andere bacteriën kunnen ammonium oxideren (nitrificatie) tot nitraat.
   • door bliksem wordt er nitraat gevormd in de atmosfeer, dat vervolgens met regen neerslaat op het oppervlak.
2. Beschikbaar komen voor de plant door:
   • Afbraak organisch materiaal door organismen, zoals bacteriën, schimmels en dieren
   • Ammonificatie
   • Nitrificatie
3. Opname door de plant
4. Afbraak door bacteriën: Denitrificatie

Voor de stikstoffixatie is energie nodig (endotherm proces). De energie bij cyanobacteriën wordt door fotosynthese geleverd. Bij Azotobacter en Paenibacillus azotofixans wordt de energie gehaald door katabolisme van organische stoffen (alleen als er onvoldoende gefixeerde stikstof is). Bij stikstofknolletjesbacteriën is er een (mutualistische) symbiose waarbij de plant de nodige energie (in de vorm van suikers) levert in ruil voor de gefixeerde stikstof.

In de natuur komt stikstoffixatie door organismes alleen voor als het niet anders kan. Stikstoffixatie kost meer energie dan het hergebruiken van bestaande stikstof verbindingen. Dat is de oorzaak dat er in de natuur meestal een tekort is gefixeerde stikstof. Er bestaan vleesetende planten die hun stikstof en andere nutriënten rechtstreeks onttrekken aan dieren.

Onder anaerobe omstandigheden kunnen bacteriën energie verkrijgen door de zuurstof in nitraat te gebruiken met stikstof als afvalstof. In een Anammox-reactie wordt een ammonium molecule en een nitraat molecule omgezet in stikstof en twee water molecules. Beide chemische reacties leveren een klein beetje energie op. Zodra vrije zuurstof aanwezig is, levert de aerobe ademhaling veel meer energie op. Bij anaerobe afbraak komt dus stikstof vrij.

Bij het Haber-Boschproces, dat in 1909 ontwikkeld werd, wordt de stikstof uit de lucht omgezet in ammoniak door stikstof en waterstof zonder zuurstof in contact met een ijzerkatalysator onder hoge druk te verhitten:

${\displaystyle {\ce {N2 + 3H2 -> 2NH3}}}$

Vervolgens wordt de ammoniak gebruikt om er stikstofhoudende kunstmest van te maken. Hierdoor wordt in Nederland jaarlijks ongeveer 60 kg stikstof per hectare extra door menselijke activiteit aan de natuurlijke kringloop toegevoegd.

• Stikstofproblematiek

Zie de categorie Nitrogen cycle van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.