Fragen Stickstoffkreislauf PDF

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Beantworteter Fragenkatalog zur Vorlesung der Stickstoffkreislauf im Modul Stoffkreisläufe in Ökosystemen ...

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Stoffkreisläufe - Stickstoffkreislauf 1. Erklren Sie, wie der Mensch seit Beginn des 20. Jahrhunderts in den globalen Kreislauf von reaktivem Stickstoff eingegriffen hat und in welchem Umfang sich dabei die Verf$gbarkeit von reaktivem Stickstoff erh%ht hat. - 1836 nach Boussingault: Stickstoff als Nhrstoff f$r Pflanzen - 1888 nach Hermann Hellriegel: Stickstofffixierung durch Leguminose - 1898 nach Crookes: Bermerkung, dass Stickstoff der Welt ausgeht - 1913 nach Haber und Bosch: synthetisch Herstellung von Stickstoff  N2 + 3 H2  2 NH3 - fast 99% des globalen Stickstoff sind nicht verf$gbar f$r lebende Organismen, da er molekular auftritt - Erh%hung der Verf$gbarkeit seit Haber-Bosch-Verfahren: Existenz von synthethisch hergestelltem Stickstoffd$nger - Verf$gbarkeit auch Nachteile f$r hydrologische Systeme und Ausstoß in die Luft - außerdem Anreicherung in der Luft, da Abbauprozesse in nichtreaktiven N2 niedriger sind als Aufbauraten 2. Was hat Stickstoff mit dem Anstieg der Weltbev%lkerung zu tun? - intensivierte Landwirtschaft durch mehr Nahrungsnachfrage - Ernhrungsproblem durch Wachstum der Gesellschaft gel%st mit k$nstlich hergestelltem Stickstoffd$nger - vor allem Gesellschaftswachstum in Lndern mit großem Anteil an Landwirtschaft Weltbev%lkerung

Weltbev%lkerung

D$ngereinsatz kg N ha-1 yr-1

D$ngereinsatz

Faktoren bei der N-Fixierung: Verbrennung fossiler Energie (20%) Anbau von Leguminosen (27%) Synthetische D$ngemittel (53%)

Erisman et a

Folgen des Wachtums:

Geschlossene Nhrstoffkreislufe Intensivierung/ Industrialisierung

2. Beschreiben Sie m%gliche Verlustpfade und Komponenten von reaktivem N, der als D$nger zur Getreideproduktion verwendet wird. Welche umweltrelevanten Probleme k%nnen damit verbunden sein? - D$ngemittel - Getreide als Nahrung und Viehfutter (Lachgas, Stickoxide) - Viehhaltung (Nitrataustrag, Ammoniak) - nat$rliche Ökosysteme (in Oberflchen- und Grundwsser)

- mehr Verluste bei indirekter Verwendung von Stickstoffd$nger als zB. f$r tierische Lebensmittel

- Beeinflussung der Boden-, Luft- und Wasserqualitt - biologische Vielfalt in Gewssern und auf dem Land ist eingeschrnkt - N- Transport in Gewsser und Meere kann Eutrophierung veranlassen  Nitrat beeinfliusst auch unser Trinkwasser - Verseuchung von fruchtbarem Boden Versauerung und Artenverschiebung - stickstoffliebende Arten verdrngen stickstoffempfindliche Arten - beschleunigt den Klimawandel 3. Wie hoch ist die Wiederfindungsrate (N-Nutzungseffizienz) in Europa und Global im Ackerbau? Wie viel des applizierten D%nger N wird durch den Menschen aufgenommen, wenn er sich vegetarisch bzw. von Fleisch ernährt? - N Effizienz von circa 40% (Global) und 60 % (Europa) - EU D$nger Input: 215 kg/ha Output 125 kg/ha - Beispiel vegetarische Ernhrung (Fleischhaltige Ernhurng: 4) N Fertilizer

N Fertilizer Consumed

Produced

100

N in Crop

94

31

47

-47

-6

N N N Harvested in Food Consumed

-16

14

26

-5

-12

- factory  field  crop  harvest  food product  mouth 4. Erklären Sie den Begriff Emissionsfaktor im Hinblick auf N2O und NH3 Emissionen. Wie hoch sind die jeweiligen Faktoren im globalen Mittel? - Emissionsfaktor = 1% des aufgebrachten D$ngers - 100 kg D$nger = 1 kg N2O Emission - Deutschland: 6% der gesamten Treibhausgasemission durch N2O (70% davon durch LW)

Atmosphre N2

Blitzschlag NOx

Dünger denitrifizierende Bakterien

Nitrat (NO3) in Boden und Wasser

Pflanzen

N-fixierende Bakterien an Wurzeln und im Boden

Tiere

R$ckstnde von Pflanzen und Tieren nitrifizierende Bakterien

Ammonium (NH3/ NH4)

5. Beschreiben/zeichnen Sie den Stickstoffkreislauf in einem terrestrischen 2kosystem.

- atmosphrischer molekularer Stickstoff (nicht verf$gbar f$r die meisten Organismen): N2 - N2 nicht verf$gbar durch extrem stabile kovalente Dreifachbindung zwischen zwei Stickstoffatomen - Oxidation von N2 durch Verbrennung oder Entladung (Blitze) zu NOX - Stickoxide gelangen $ber Deposition in den Boden - durch biologische Stickstoffixierung wird N2 mit dem N-Umsatz in der Biosphre verbunden (Entstehung Ammonium) - bakterielle Oxidation von Ammoniak (NH3) bzw. Ammoniumionen (NH4+) zu Nitrat (NO3−)  von Pflanzen aufgenommen - Stickstoff organisch gebunden durch Aufnahme von Pflanzen durch Tiere und Menschen und dann Ausscheidung von Kot  wieder im Boden - auch freigesetzt durch Absterben von Biomasse - Kreislauf schließt sich mit der Denitrifikation (unter anaeroben Bedingungen Nitrat zu N2 und Lachgas/ N2O)  Nitrat wird im Boden bakteriell bis zum elementaren Stickstoff (N2) reduziert 5. Ordnen sie die Begriffe Nitrifikation, anaerob, Reduktion, Oxidation, aerob, heterotroph, autotroph, Denitrifikation , N2O, NO, N2 logisch an. N2 – Oxidation (aerob)– NOx – Nitrifikation (erst autotroph, dann heterotroph) – Reduktion – Denitrifikation (anaerob) – N2O 6. Welche Prozesse regulieren den N-Input in ein 2kosystem und welche den N-Austrag? Aufbauende Prozesse:  N2-Fixierung (N2  organischer N)  NO3/NH4 Aufnahme durch Pflanzen Abbauende Prozesse:  Mineralisierung ( organischer N  NH4)  Nitrifikation (NH4  NO3)  Denitrifikation (NO3  N2)  Anaerobe-Ammonium-Oxidation (marine Systeme) (NH4 + NO2−  N2 + 2 H2O)  DNRA (dissimilatory nitrogen reduction to ammonium)

7. Beschreiben/zeichnen Sie die N-Kaskade, also die Verlagerung von reaktivem N aus landwirtschaftlichen Produktionssystemen %ber 2kosystemgrenzen hinweg.

N2

Lachgas (N2O)

NR

Stickstofkaskade

Düngemittelfabrik

Ammoniumnitrat im Regen (NH4NO3)

Stickoxide (NO x)

NR

NR

Ammoniak (NH 3)

Weitere Emissionen von NOx & N2O Fortsetzung der Kaskade

Getreide als Nahrung & Viehfutter

Viehhaltung

- Einteilung in aquatisches System, atmosphrisches System, terrestrisches System und Mensch als Ausl%ser - angefochten wird die Kaskade durch ein limitiertes Potential von Nr und den Verlust von elementarem Stickstoff durch Denitrifikation

Natürliche Ökosystemen

Nitrat-Austrag (NO3-)

NO3 in Oberflächen& Grundwässern

8. Welche N-Gas-Verbindungen k=nnen aus B=den emittiert werden, und welche Prozesse sind daf%r verantwortlich? Denitrifikation: Entstehung von N2O, N2 und NOxVerbindungen Autotroph und heterotroph m%glich

- alle Redoxpotentiale der Einzelschritte sind positiv  Bakterien k%nnen Nitrat als Elektronenakzeptor f$r oxidativen Energiestoffwechsel verwenden, wenn kein oder nur begrenzt gel%ster O2 verf$gbar ist - Auswaschung von Nitrat ins Grundwasser

9. Nennen sie verschiedene Messverfahren zur Quantifizierung des N-Gasaustausch zwischen BodenAtmosphäre und ordnen diese entsprechend den Komponenten N2O, NO, NH3 und N2 zu.

GHG = greenhouse gas Manual Static Chambers (gas chromatograph): N2O Automated Static Chambers (chemiluminescence detectors): NOX Quantifizierung von N2-Emissionen durch Denitrifikation: N2O Lysimeter: N2O 10. Welche N-Verbindungen unterliegen einem hydrologischen Austrag aus 2kosystemen? Reihen sie die Stoffe der H=he ihres Austrags und begr%nden sie warum.

11. Welche Faktoren regulieren Denitrifikationsraten in Agrar=kosystemen? 12. Benennen Sie den biologische Prozess, der 2kosysteme mit Stickstoff versorgt? Was kennzeichnet diesen Prozess? 13. Welche M=glichkeiten gibt es die Effizienz des Prozesses zu erh=hen? Unterscheiden sie typische Raten des Stickstoffeintrags (zwei Typen). 14. Nennen Sie zwei Messmethoden, die es erm=glichen die BNF Raten zu quantifizieren. 15. K=nnen Sie am Beispiel von Gr%nland im Voralpenraum darstellen wie sich Fnderungen im Klima auf den Stickstoffkreislauf auswirken? Unter welchen Umständen kann es dabei zu h=heren Austrägen von N2O und NO3 kommen? 16. Nennen Sie einen Indikator mit dem der Stickstoffstatus eines Wald=kosystems gut zu charakterisieren ist? Unter welchem Schwellenwert treten vermehrt N Verluste auf?...