Stickstofffixierende

Stickstofffixierende Organismen bezeichnen jene Organismen und Prozesse, die das weitgehend reaktionsträge Stickstoffgas N2 aus der Atmosphäre in biologisch nutzbare Verbindungen wie Ammoniak (NH3) oder Ammonium (NH4+) überführen. Ohne diese Umwandlung bleibt der Großteil des in der Luft enthaltenen Stickstoffs für lebende Zellen unzugänglich. Biologische Stickstofffixierung wird vor allem von bestimmten Bakterien, Archaeen und Cyanobakterien vorgenommen; sie leben frei oder gehen Symbiosen mit Pflanzen ein, insbesondere mit Leguminosen.

Zu den wichtigsten Gruppen gehören freilebende Diazotrophen wie Azotobacter und Azospirillum im Boden sowie Cyanobakterien wie Anabaena, die in speziellen Zelltypen, sogenannten Heterozyten, Stickstoff fixieren. In vielen Leguminosen bilden Rhizobien im Wurzelknöllchen eine symbiotische Beziehung: Die Bakterien liefern Ammonium, die Pflanze stellt Kohlenstoffverbindungen bereit und schützt die Bakterien vor zu hohem O2. Diese Symbiose ist eine zentrale Quelle für Stickstoff in vielen Landwirtschaftsökosystemen.

Der Fixierungsprozess erfolgt durch das Enzym Stickstoffase, das N2 zu NH3 reduziert. Dabei werden ATP und starke Reduktionsäquivalente benötigt; Stickstoffase ist empfindlich gegenüber Sauerstoff, weshalb Organismen Schutzmechanismen nutzen, etwa Leghemoglobin in Pflanzenknöllchen oder Mikroaerophilie in freilebenden Bakterien.

Ökologisch ist die biologische Stickstofffixierung grundlegend für den Stickstoffkreislauf und die Bodenfruchtbarkeit. Sie reduziert die Abhängigkeit von synthetischen Düngemitteln und unterstützt das Recycling von Stickstoff in Ökosystemen. Neben der biologischen Fixierung gibt es auch chemische Verfahren wie das Haber-Bosch-Verfahren, das atmosphärischen Stickstoff in Ammoniak umwandelt; die biologische Fixierung bleibt allerdings in vielen Kontexten energiesparender und umweltfreundlicher.

Zusammenfassend umfasst der Begriff Stickstofffixierende Organismen und Prozesse eine wesentliche Quelle biologisch verfügbaren Stickstoffs.