Stickstofffixierung

Stickstofffixierung bezeichnet den Prozess, durch den Molekülstickstoff aus der Luft (N2) in reaktive Stickstoffverbindungen umgewandelt wird, die von Organismen genutzt werden können, typischerweise Ammonium (NH4+) oder andere Assimilationsformen wie Nitrat (NO3−). Die Fixierung ist ein zentraler Schritt im Stickstoffkreislauf und geschieht sowohl biologisch als auch abiotisch, außerhalb des Lebens oder in dessen Nähe.

Biologische Stickstofffixierung wird von Diazotrophen durchgeführt, darunter symbiotische Rhizobien in Leguminosen-Wurzeln, Frankia in actinorhizalen Pflanzen, sowie freilebende Cyanobakterien wie Anabaena. Das Enzym Stickstoffase (Nitrogenase) zerlegt N2 in Ammoniak, ein energieintensiver Prozess, der oft durch ATP und Reduktionsäquivalente gespeist wird. Die Reaktion ist durch den hohen Sauerstoffdruck in Zellen geschützt, da Stickstoffase empfindlich gegenüber O2 ist.

In der Symbiose liefern Pflanzen Kohlenhydrate an die Stickstofffixierer; im Gegenzug liefern die Bakterien Ammonium. In Leguminosen wird dieses Ammonium durch Leghemoglobin in einem niedrigen Sauerstoffbereich gehalten. Freilebende Stickstofffixierer arbeiten in Heterocysten oder Biofilmen.

Abiotische Stickstofffixierung geschieht durch Blitzentladungen oder industriell im Haber-Bosch-Verfahren, das N2 bei hohem Druck und Temperatur zu Ammoniak synthetisiert. Die erzeugten Verbindungen gelangen als Düngemittel in Ökosysteme; anthropogene Stickstofffixierung beeinflusst den Nährstoffkreislauf, die Wasserqualität und Treibhausgasemissionen.

Zweck und Bedeutung: Stickstofffixierung ermöglicht der Biosphäre den Zugang zu biologisch nutzbarem Stickstoff. In der Landwirtschaft trägt sie zur Bodenfruchtbarkeit bei; aus Sicht des Umweltmanagements wird versucht, den Einsatz synthetischer Düngemittel zu optimieren und natürliche Stickstofffixierer zu schützen oder zu unterstützen.