Ökologie (Subject) / Globale biogeochemische Kreisläufe (Lesson)

HTW Dresden Gartenbau 1. Semester

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• Gaskreislauf Stoffe stammen zum größten Teil aus der Atmosphäre und den Meeren, z.B. N2, O2, CO2 werden durch Energieflüsse angetrieben nur möglich durch die enge Kopplung an den Wasserkreislauf
• Sedimentkreislauf wichtigstes Reservoir im Boden (Pedosphäre) oder im Gestein (Lithosphäre), z.B. Schwefel, Phosphor werden durch Energieflüsse angetrieben nur möglich durch die enge Kopplung an den Wasserkreislauf
• Hydrosphäre Umfasst Wassergehalt in Atmosphäre, Oberflächengewässer, Bodenwasser, Grundwasser und Ozeane
• Hydrologischer Kreislauf Der im Umlauf befindliche Anteil ist sehr klein   nur etwa 0,08% der Gesamtmenge  - versickert im Boden  - fließt in Flüssen  - befindet sich in Form von Wolken oder Wasserdampf in der Atmosphäre.   Dieser geringe Prozentsatz spielt entscheidende Rolle - Deckt den Bedarf für das Überleben der Lebewesen und für die Produktivität der Lebensgemeinschaften - Transportiert bei seiner Bewegung viele Nährstoffe   Der hydrologische Kreislauf würde auch in Abwesenheit der Biota ablaufen
• Phosphorkreislauf Die Hauptvorräte des Phosphors   - im Wasser des Bodens, der Flüsse, Seen und Ozeane   - im Gestein und in Meeressedimenten.   Phosphorkreislauf kann als Sedimentkreislauf bezeichnet werden   - mineralischer Phosphor wird früher oder später vom Land in die Ozeane verfrachtet - wird schließlich Teil der Sedimente Phosphoratom wird durch chemische Verwitterung aus dem Gestein freigesetzt - kann in eine terrestrische Lebensgemeinschaft gelangen und dort über Jahre, Jahrzehnte oder Jahrhunderte kreisen, bevor es mit dem Grundwasser in einen Fluss eingetragen wird.  Recht bald danach (nach Wochen, Monaten oder Jahren) wird das Atom in einen Ozean transportiert.
• Phosphat und Umwelt Gewässereuthrophierung, immer P In den 60er- und 70er-Jahren führten Rückstände in den Abwässern von Waschmaschinen zu überdüngten Flüssen und Seen - Algenblüte in vielen Gewässern, verbrauchten den Sauerstoff im Wasser, Seen und Flüsse „kippten um Umweltprobleme bei der Herstellung   - Die Ressourcen von Phosphaten begrenzt   - meist mit Cadmium und/oder radioaktiven Schwermetallen belastet  Umweltbundesamt (KBU) : Denn die abbauwürdigen Phosphatreserven gehen in etwa 50 bis 200 Jahren zur Neige.
• Stickstofffixierung größter Teil des Stickstoffs in Lebensgemeinschaften stammt aus der Atmosphäre   - Best. Arten von Bakterien und Cyanobakterien besitzen das Enzym Nitrogenase - Wandelt gasförmigen Stickstoff in Ammoniumionen (NH4+) um   - können dann von den Wurzeln aufgenommen werden   Pflanzen wie Leguminosen oder Erlen (Alnus-Arten)   - Wurzeln leben in Symbiose mit freilebenden stickstofffixierenden Bakterien - können einen ganz wesentlichen Anteil ihres Stickstoffs auf diesem Weg erhalten
• Ammonifikation Abbau von organisch gebundenem Stickstoff durch Destruenten   - Dabei entsteht Ammoniak NH3  Böden meist leicht sauer (da dort H+ Ionen vorhanden)   - Bildung von Ammoniumionen (NH4 +)  kann im Boden von den Pflanzen über ihre Feinwurzeln direkt aufgenommen werden
• Nitrifikation aerobe Bakterien (Nitrosomonas) oxidieren NH4 + (Ammonium) zu NO2 - (Nitrit) und anschließend (Nitrobacter) NO2 - zu NO3 - (Nitrat)   - Nitrat kann von Pflanzen aufgenommen werden   - Nitrifikation bei saurem Boden-pH nur sehr gering, da Bakterien gehemmt 
• Denitrifikation anaerobe Bakterien, z.B. Nitrococcus denitrificans oder Thiobacillus denitrificans, reduzieren NO3 – über Zwischenstufen zu N2   - kehren in die Atmosphäre zurück anaerobe Bedingungen für Denitrifikation notwendigen  treten in Feuchtgebieten und feuchten Böden auf   Bei nicht vollständiger Wassersättigung läuft Denitrifikation nicht vollständig ab   - Lachgas (N2O) und NOx entstehen
• Der Stickstoffkreislauf und die Umwelt Autoabgase und industrielle Verbrennungsvorgänge:   - Distickstoffoxid (N2O), Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO 2) gelangen in die Troposphäre   - Treibhausgase .   - N2O in Stratosphäre durch Ultraviolettstrahlung zu Stickstoffmonoxid und atomarem Sauerstoff (O) reduziert.   - reagiert mit Sauerstoffmolekülen (O2 ) zu Ozon Nitrat im Grundwasser : vorallem in Gebieten mit viel Tierhaltung und Gülle problematisch Düngung fördert nährstoffliebende konkurrenzstarke Pflanzenarten   -Verarmung der Flora  & Fauna
• Schwefelkreislauf drei natürliche biogeochemische Prozesse setzen Schwefel in die Atmosphäre frei: - Bildung von Aerosolen aus vom Meer aufgewirbelten Wassertröpfchen - anaerobe Dissimilation bei sulfatreduzierenden Bakterien   - vulkanische Aktivität (allerdings von geringerer Bedeutung)   Schwefelbakterien setzen reduzierte Schwefelverbindungen, insbesondere H2S, aus stauwasserbeeinflussten Lebensgemeinschaften der Sümpfe und des Marschlands sowie aus Wattflächen des Gezeitenbereichs frei   - In umgekehrter Richtung gelangt Schwefel nach Oxidation zu Sulfat in nasser und trockener Deposition aus der Atmosphäre zur Erde atmosphärische und die lithosphärische Phase des Schwefelkreislaufs von gleicher Größenordnung   etwa die Hälfte des Schwefels resultiert aus Gesteinsverwitterung, der Rest stammt aus der Atmosphäre.   Auf dem Weg zum Ozean wird ein Teil des verfügbaren Schwefels, vor allem gelöstes Sulfat, von Pflanzen aufgenommen  - durchläuft verschiedene Nahrungsketten und wird durch Abbauprozesse wieder für Pflanzen verfügbar   Im Vergleich mit dem Phosphor- und Stickstoffkreislauf jedoch ein viel kleinerer Teil des Schwefels an den internen Kreisläufen der terrestrischen und aquatischen Lebensgemeinschaften beteiligt.   kontinuierlicher Verlust von Schwefel an die Meeressedimente
• Saurer Regen Niederschlag, mit einem pH-Wert von etwa 4,2–4,8 l   - Normal wäre 5,5 bis 5,7  Ursache: Schwefelverunreinigungen der Atmosphäre  aus Verbrennungen von schwefelhaltigen fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdöl und Erdölprodukte) - auch aus vulkanischen Exhalationen   - liegt in der Atmosphäre als Schwefeldioxid vor, das primäre Produkt der Oxidation schwefelhaltiger organischer Stoffe.   - (S)org + O2 → SO2
• Silikat-Karbonat-Kreislauf Si nach O2, das häufigste Gestein der Lithosphäre ( die Erdkruste und der oberste Teil des Erdmantels, der sogenannte lithosphärische Mantel ) Bildung von Kalkschalen Subduktion ( ozeanische Lithosphäre am Rand einer tektonischen Platte in den Erdmantel abtaucht, während dieser Plattenrand gleichzeitig von einer anderen, angrenzenden Lithosphärenplatte überfahren wird ) & Vulkanismus CO2 - C-org. Kreislauf Obwohl die Biosphäre der kleinste Kohlenstoffspeicher ist, steuert sie die größten Umsatz- und Stoffaustauschraten! 
• Der Kohlenstoffkreislauf Landpflanzen nutzen atmosphärisches Kohlenstoffdioxid als Kohlenstoffquelle für die Fotosynthese Wasserpflanzen nutzen gelöste Carbonate (das heißt, Kohlenstoff aus der Hydrosphäre)   - Diese beiden Teilkreisläufe sind durch Austausch von Kohlenstoffdioxid zwischen Atmosphäre und Ozeanen miteinander verbunden   Zusätzlich Kohlenstoff in Form von Hydrogencarbonat aus der Verwitterung calciumreichen Gesteins wie Kalkstein und Kreide   - Gelangt in die Gewässer der Kontinente und in Ozeane   Der in den Fotosyntheseprodukten festgelegte Kohlenstoff wird durch die Respiration der Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen wieder in die Kohlenstoffkompartimente der Atmosphäre und Hydrosphäre freigesetzt
• Jahresbilanz der Kohlenstoffflüsse in einem Kiefernwald Werte oberhalb der Bodenoberfläche: Vorräte an Kohlenstoff in der Nadelmasse der Bäume, der übrigen Baumbiomasse, der Pflanzen des Unterwuchses und im Totholz auf dem Waldboden.  Im Holz am höchsten mit 10521 Danach der Boden mit 5330 und Totholz mit 1325 - (alle Vorratswerte in g C m-2 , Werte in den Pfeilen in g C m-2 a-1) Werte dicht unterhalb der Bodenoberfläche: Vorräte in Baumwurzeln (l) und Streu(r)): 1923 - 1233 
• Nährstoffbilanz Kohlenstoffhaushalt In vielen Lebensgemeinschaften näherungsweise ein jährliches Gleichgewicht im Kohlenstoffhaushalt:  durch Fotosynthese fixierter Kohlenstoff (Pflanzen!) entspricht ca.: durch Atmung der Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen als Kohlenstoffdioxid an die Atmosphäre abgegeben wird.
• Distickstoffmonoxid Lachgas (N2O) ist ein Treibhausgas , das rund 300-mal so klimaschädlich ist wie Kohlendioxid (CO2).  Hauptquellen  sind stickstoffhaltige Düngemittel in der Landwirtschaft und die Tierhaltung - Stickstoffdünger wird unter bestimmten Bedingungen in Distickstoffmonoxid umgewandelt.   - Landwirtschaft auf ehemalige Moorböden   Prozesse in der chemischen Industrie   Verbrennungsprozesse
• Methan CH4 Bildung u.a. durch Mikroorganismen: Faulen organischer Stoffe unter Luftabschluss in Sümpfen oder im Sediment auf dem Grund von Gewässern   - Sumpfgas entsteht, ein Gemisch aus Methan und Kohlenstoffdioxid.   Etwa 70 % der mikrobiellen Methanemission der Erde ist auf Aktivitäten von Menschen zurückzuführen, z.B.   - In der Landwirtschaft und bei der Tierhaltung wird Methan abgesondert, 39 % dieser Emissionen gehen auf die Rinderhaltung zurück - 17 % auf den Nassreisanbau.   - Emissionen von z. B. Deponiegasen hochwirksames Treibhausgas  
• Einflussnahme der Menschen auf biogeochemische Kreisläufe Aktivitäten der Menschen   - tragen wesentlich zu einem Eintrag von Nährstoffen in Ökosysteme bei   - stören sowohl die lokalen als auch die globalen biogeochemischen Kreisläufe   Verbrennen fossiler Energieträger und Autoabgase   - Mengen an Kohlenstoffdioxid und an Oxiden des Stickstoffs und des Schwefels in der Atmosphäre angestiegen   - landwirtschaftliche Nutzung und Abwassereinleitung   - Nitrat- und Phosphatkonzentrationen der Wasserläufe angehoben   Diese Veränderungen haben weitreichende Folgen

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