De stikstofkringloop

Het element stikstof is essentieel voor het leven op aarde: het is een van de belangrijkste bouwstenen voor organische verbindingen waaronder aminozuren, eiwitten en dergelijke. Stikstof komt in vele verschillende verbindingen en op verschillende plekken op aarde voor: zowel in de atmosfeer, in de bodem en in biomassa. De uitwisseling van stikstof tussen deze bronnen wordt ook wel de stikstofkringloop of stikstofcyclus genoemd.

Het vastleggen van stikstof uit de atmosfeer

Stikstof is een van de meest voorkomende elementen op aarde: zo'n 80% van de atmosfeer bestaat uit stikstofgas (N2). Stikstof in de lucht kan door enkele organismen gefixeerd worden en omgezet worden in organische stikstofverbindingen. Organismen die over deze eigenschappen beschikken zijn met name cyanobacteriën en bacteriën die in symbiose leven met wortelknollen van specifieke plantensoorten. Andere planten en dieren, waaronder ook de mens, hebben niet de mogelijkheid om gebruik te maken van de stikstof in de atmosfeer. Zij zijn dus afhankelijk van de organische bronnen van stikstof die in de kringloop voorkomen.

Een andere manier waarop stikstof gefixeerd kan worden is door middel van bliksem. Bliksem kan nitraat (NO3-) vormen, dat middels neerslag in de bodem terecht kan komen.

Assimilatie

Producenten

De stof nitraat, ofwel NO3-, speelt een centrale rol in de stikstofkringloop. Deze stof wordt door planten uit de bodem gehaald; zij gebruiken dit om weer nieuwe organische verbindingen met stikstof te maken, zoals aminozuren. Dit produceren van nieuwe verbindingen wordt assimilatie genoemd. Omdat planten op deze manier de mogelijkheid hebben om een anorganische verbinding te gebruiken om een organische stof te creëren worden planten binnen de koolstofcyclus ook wel als "producenten" aangeduid.

Consumenten

De producenten, planten, kunnen op hun beurt natuurlijk ook weer opgegeten en verteerd worden door andere organismen: de consumenten. Zij gebruiken de stikstofverbindingen uit de producenten om zelf ook weer nieuwe stikstof bevattende verbindingen te maken. Dit wordt voortgezette assimilatie genoemd.

Dissimilatie

Planten en dieren scheiden echter ook weer stikstofverbindingen uit. Dit gebeurt bijvoorbeeld door middel van urine en uitwerpselen, maar ook wanneer een (deel van een) organisme (af)sterft. Deze stoffen komen op en in de grond terecht, waar bacteriën deze stikstofverbindingen weer verbreken en deze weer omzetten in anorganische stoffen: het gaat hier met name om ammonium (NH4+). Dit wordt dissimilatie genoemd.

Nitrificatie

Verschillende autotrofe bacteriën kunnen dit ammonium door middel van oxidatie omzetten naar nitriet (NO2-). Dit nitriet wordt door andere bacteriën vervolgens weer omgezet in nitraat (NO3+). Nitraat kan vervolgens weer door de producenten geassimileerd worden waardoor de kring weer gesloten is.

Denitrificatie

Verschillende soorten anaërobe bacteriën maken gebruik van nitraat als energiebron. Dit gebeurt door middel van oxidatie: bij dit proces komt stikstofgas vrij, dat weer in de atmosfeer terechtkomt. Dit omzetten van nitraat naar stikstofgas wordt denitrificatie genoemd.

Menselijke invloed op de stikstofkringloop

Stikstofverbindingen zijn essentieel voor planten om te groeien: in de landbouwindustrie wordt dan ook veel gebruikgemaakt van kunstmest met hoge concentraties stikstof. Hoge concentraties stikstof op een bepaalde plek kunnen de cyclus uit balans brengen, met problemen zoals bodemverzuring als gevolg.

Ook bij verbranding van bijvoorbeeld fossiele brandstoffen komen stikstofatomen vrij: deze kunnen schadelijke verbindingen vormen met zuurstofatomen. Deze verbindingen (NOx) komen in de atmosfeer en stratosfeer terecht en zorgen onder andere voor verzuring en aan de vorming van ozon. Bovendien kunnen ze schadelijk zijn voor de gezondheid.