3. Konzept des Ökosystems

Ein Ökosystem ist ein Gebiet mit einem bestimmten Landschaftsmodell wie z.B. heiße Wüste, Grasland, Fluss, Teiche, Seen oder Flussmündungen usw. Die Zusammensetzung des Ökosystems hängt von seinen geographischen Merkmalen wie Bergen, Seen, Flüssen, Küstengebieten oder Inseln ab. Auch klimatische Bedingungen wie Niederschlag, Sonnenlicht, Temperatur usw. steuern die Ökosysteme. Die geographischen, klimatischen und bodenkundlichen Merkmale bilden seine nicht lebende (abiotische) Komponente. Diese Merkmale bilden die Bedingungen, die sein Lebewesen (biotisch; Gemeinschaftspflanzen und -tiere) unter diesen spezifischen Bedingungen leben lassen. (Bornmann und Likens, 1967). Ein Ökosystem kann unterschiedlich groß sein, so groß wie ein ganzer Wald oder so klein wie ein Baum.

Ökosysteme werden grob in terrestrische und aquatische Ökosysteme unterteilt. Diese bilden die beiden wichtigsten Lebensraumbedingungen für alle lebenden Organismen. Terrestrische Ökosysteme umfassen Wüste, Grasland, Wald und aquatische Ökosysteme umfassen Teiche, Flüsse, Bäche, Ozeane und Flussmündungen usw. Terrestrische oder aquatische Ökosysteme sind selbstregulierende, offene Systeme, in denen die Ein- und Ausgänge mit anderen Systemen frei sind (Bornmann und Likens, 1967). Daher haben Ökosysteme sowohl eine biotische als auch eine abiotische Komponente, die spezifisch für eine Region sind und ihr ihre eigenen Besonderheiten verleihen. Im Feld können wir leicht eine Reihe von Merkmalen eines jeden Ökosystems beobachten, einschließlich der Frage, wie das Ökosystem aussieht, seiner Struktur, der Zusammensetzung der biotischen Teile (Elmqvist et al., 2010).

3.1. Struktur und Funktion des Ökosystems

Der Begriff des Ökosystems wurde erstmals 1935 von dem britischen Ökologen Arthur Tansley verwendet. Ein Ökosystem ist eine strukturelle und funktionelle Einheit der Biosphäre, die lebende (Pflanzen, Tiere, Mikroben) und nicht lebende Dinge (Luft, Wasser, Boden) umfasst, die als System interagieren. Das Lebewesen bezieht sich auf die biotischen Teile, die Biozönose, in Verbindung mit den abiotischen Komponenten, dem Biotop, das die physische Region des Lebens umfasst (Odum und Barret, 2005). Nach E.P. Odum (2005) funktionieren die biotische Gemeinschaft und die sie umgebende Umwelt zusammen als eine ökologische Einheit, die als "Ökosystem" bezeichnet wird.

Da wir wissen, dass Ökosysteme aus vielen interagierenden abiotischen und biotischen Komponenten bestehen, müssen diese Interaktionen den Schlüssel zu dem enthalten, was Ökosysteme leisten können. Die funktionelle Ökologie beschreibt, wie die Komponenten in einem Ökosystem funktionieren, d.h. wie biotische Teile auf Umweltveränderungen reagieren und wie sich Energie und Materie durch Ökosysteme bewegen. Alle natürlichen Ökosysteme haben eine Hauptstruktur und Komponenten, und jede Komponente hat einen bestimmten Status, der für das Funktionieren des Systems von Bedeutung ist. Jedes Ökosystem funktioniert durch mehrere Energietransfermechanismen und biogeochemische Kreisläufe. Sowohl lebende als auch nicht lebende Teile des Systems interagieren durch mehrere funktionelle Aspekte miteinander und bilden natürliche Ökosysteme. Zu den funktionalen Aspekten von Ökosystemen gehören der Energiefluss und die Stoffkreisläufe durch strukturelle Komponenten des Ökosystems (Şekercioğlu, 2010). Nach Woodbury (1954) ist ein Ökosystem ein Komplex, in dem Tiere, Pflanzen und Lebensraum als eine Einheit betrachtet werden, wobei die Materie und Energie des einen in die anderen hinein und aus ihnen heraus fließt.

3.1.1. Produzenten, Verbraucher und Zersetzer

Aus ernährungsphysiologischer Sicht können die biotischen Komponenten entsprechend ihrer Nahrungsquelle als autotroph oder heterotroph kategorisiert werden. Das Leben an Land und im Wasser ist aufgrund der Existenz der Autotrophen, photosynthetischer Organismen wie der Algen und Pflanzen möglich. Diese Organismen benötigen nur anorganische Nährstoffe und Sonnenlicht, um organische Nährstoffe für ihre eigene Energie und für alle anderen Organismen zu produzieren. Sie werden als Produzenten bezeichnet, bilden also die Grundlage der Lebenswelt (Benerje et al., 2013; URL-1). Photosynthetische Organismen besitzen Chlorophyll und betreiben Photosynthese in Meeres- und Süßwasserlebensräumen.

Eine weitere große Gruppe von Organismen sind die Heterotrophen. Sie werden als Konsumenten bezeichnet, weil sie ihre Energie erhalten, die von einem Produzenten erzeugt wurde. Es gibt vier Arten von Verbrauchern. Pflanzenfresser sind Tiere, die Pflanzen oder Algen fressen. Fleischfresser ernähren sich von Pflanzenfressern und manchmal auch von anderen Fleischfressern. Allesfresser sind Tiere, die sich sowohl von Pflanzen als auch von Tieren ernähren. Detrivoren sind Pflanzen und Tiere, die sich von Detritus ernähren, der aus organischen Materialien besteht, die in den Boden zurückgelangen. Bakterien und Pilze, einschließlich Pilze, sind Zersetzer. Sie gewinnen Nährstoffe, indem sie komplexes organisches Material zersetzen, das sich im Körper von Pflanzen und Tieren befindet. Diese Substanzen werden von Pflanzen wieder aufgenommen (Odum und Barret, 2005; URL-2).

3.1.2. Energiefluss im Ökosystem

Alle Ökosysteme können ohne Energie nicht funktionieren. In vielen Ökosystemen ist die Sonne die einzige ultimative Energiequelle. Energie fließt über die Photosynthese durch das Ökosystem. Wir wissen, dass Sonnenlicht zuerst von Pflanzen und photosynthetischen Bakterien eingefangen und in ihren Geweben gespeichert wird, um aus einfachen anorganischen Materialien Nahrung herzustellen (Likens et al., 1987; Kooijman et al., 2010). Beim Übergang organischer Nährstoffe von einem Teil des Ökosystems in einen anderen, z.B. wenn ein Fleischfresser einen Pflanzenfresser frisst, wird nur ein Teil der ursprünglichen Energiemenge übertragen. Folglich geht bei der zellulären Energiefreisetzung ein wichtiger Teil der in organischen Molekülen gespeicherten Energie als Wärme verloren. Wärme, die von Pflanzen und Tieren entweicht, kann von lebenden Organismen nicht wieder eingefangen und wiederverwendet werden. Alle Heterotrophen sind für ihre Nahrung direkt oder indirekt von Produzenten abhängig. Es gibt also einen unidirektionalen Energiefluss von der Sonne zu den Produzenten und dann zu den Konsumenten. Die Gesetze der Thermodynamik unterstützen das Konzept, dass Energie durch das Ökosystem fließt. Das erste Gesetz drückt aus, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann (Bornman und Likens, 1967; Odum und Barret, 2005). Dies verdeutlicht, warum Ökosysteme von einer ständigen Zufuhr von Energie abhängig sind, die von photosynthetischen Organismen zur Synthese organischer Nährstoffe verwendet wird. Das zweite Gesetz besagt, dass Energie immer von einer nützlicheren in eine weniger verfügbare Form wie Wärme umgewandelt wird (Odum und Barret, 2005). Unter natürlichen Bedingungen neigt die Energie dazu, von der höheren zur niedrigeren Ebene zu fließen.

Abbildung 1. Biotische Komponenten. a. Produzent - grüne Pflanze. b. Pflanzenfresser - Hirsch. C. Fleischfresser - Wolf. D. Zersetzer - Pilze. (URL-3; URL-4; URL-5; URL-6)

3.1.3. Nahrungsketten

In einem Ökosystem wird die sequentielle Kette der Nahrungsbeziehungen, oder wer wen frisst, als Nahrungskette bezeichnet. Sie bestimmt, wie sich die Energie innerhalb des Systems von einem Organismus zum anderen bewegt. Eine trophische Ebene ist eine Ebene der Energie (organische Form - Nährstoff) in einer Nahrungskette. Energieströme in einer Nahrungskette, wobei 80 bis 90 Prozent der übertragenen Energie als Wärme verloren geht (zweiter Hauptsatz der Thermodynamik). Die Kürze der Nahrungsketten kann auf den Energieverlust zwischen den trophischen Ebenen zurückgeführt werden. Im Allgemeinen stehen der nächsten trophischen Ebene nur etwa 10 % der Energie einer trophischen Ebene zur Verfügung. Dies begrenzt also auch die Anzahl der Ebenen in den meisten terrestrischen Nahrungsketten (Barnes et al., 2018; Cebrian, 2015). Längere terrestrische Nahrungsketten sind selten, da die Nahrungsketten im Allgemeinen nicht über eine ausreichend große Erzeugerbasis verfügen, um eine Vielzahl von Verbraucherebenen zu versorgen. Organismen werden in einer Nahrungskette nach ihrer Position oder trophischen Ebene klassifiziert. Grünpflanzen - Produzenten sind die Basis der Nahrungskette von Weidepflanzen und gehören der ersten trophischen Ebene an. (Primärkonsumenten) und Fleischfresser, die sich von Weidegängern ernähren, befinden sich in der dritten trophischen Ebene, und so weiter.

Die Übertragung von Energie mit großen Verlusten zwischen aufeinanderfolgenden trophischen Ebenen wird manchmal als "ökologische Pyramide" dargestellt. Der Energietransfer von einer trophischen Ebene zur nächsten erzeugt eine Pyramide auf der Grundlage der Anzahl der einzelnen Organismen oder der Menge an lebender Materie und des Gesamttrockengewichts auf jeder trophischen Ebene. Ökologische Pyramiden werden zum Vergleich des Biomasse- und Energietransfers zwischen trophischen Ebenen verwendet (Bornman und Likens, 1967).

Abbildung 2. Energiefluss durch ein Ökosystem. (URL-7)

3.1.4. Nährstoffzyklus im Ökosystem

Die Wege des Transfers von Elementen zwischen lebenden (biotischen) und nicht lebenden (abiotisch-geologischen) Komponenten des Ökosystems, die als "die Elementzyklen" oder "Nährstoffzyklen" bezeichnet werden. Es handelt sich um den Kreislauf der von lebenden Organismen benötigten Nährstoffe durch verschiedene Kompartimente der Biosphäre (Kooijman, 2010). Er beinhaltet die Bewegung von Nährstoffelementen in einem Ökosystem. Alle Ökosystemfunktionen sind mit dem Wachstum und der Reproduktion seiner Lebensgemeinschaften verbunden. Diese miteinander verknüpften Prozesse können als "Avariety of Cycles" beschrieben werden. Die Erhaltbarkeit natürlicher Ökosysteme hängt von der Energie der Sonne und ihrer Abhängigkeit von der Wiederverwertung von Nährstoffen ab, was eine konstante Versorgung mit lebenswichtigen Bestandteilen gewährleistet.

Abbildung 3. Nahrungsketten sind Beschreibungen darüber, wer wen isst. (URL-7)br>

Nährstoffe umfassen mehr als 40 Elemente, von denen bekannt ist, dass sie für eine Vielzahl von Lebensprozessen lebender Organismen wesentlich sind (Cebrian, 2015). Nährstoffe können als Makronährstoffe klassifiziert werden, die in großen Mengen benötigt werden, z.B. Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff usw., oder als Mikronährstoffe, die in kleinen Mengen benötigt werden, z.B. Eisen, Zink, Kupfer, Jod usw.

In Ökosystemen fließen Nährstoffelemente über die Nahrungsketten aus der Umgebung, werden aber letztlich wieder in die Umwelt abgegeben. Pflanzen nehmen Nährstoffe in ionischer Form auf und Tiere erhalten sie in organischer Form durch den Verzehr von lebenden oder toten Organismen. Nährstoffe werden im Allgemeinen von Mikroorganismen in jeder mineralischen oder organischen Form verwendet. Der Austausch von Nährstoffen zwischen lebenden Organismen und ihrer Umgebung ist einer der wesentlichen Aspekte des Ökosystems.

Ein Nährstoff- oder biogeochemischer Kreislauf kann grob in zwei Typen unterteilt werden: a. sedimentär und b. gasförmig. Der Kohlenstoff- und der Stickstoffkreislauf sind gasförmig, was bedeutet, dass das Reservoir für diese Art von Nährstoffkreislauf in der Atmosphäre existiert. Der Schwefel- und Phosphorkreislauf ist ein sedimentärer Kreislauf; die Nährstoffe werden von den Pflanzen aus dem Boden entnommen, an Heterotrophe weitergegeben und schließlich von Zersetzern wieder in den Boden zurückgegeben (Likens et al., 1981; URL-2)

Abbildung 4. Nährstoffkreislauf zwischen diesen Komponenten von Ökosystemen. (URL-9)

3.1.5. Der Wasserzyklus

Der Wasserkreislauf beschreibt die Existenz und Bewegung von Wasser auf, in und über der Erde. Wasser ist immer in Bewegung und wechselt ständig Zustände, von flüssig über Dampf zu Eis und wieder zurück. Ein kleiner Teil des Wassers auf der Erde ist für lebende Organismen verfügbar. Verdunstung, Niederschlag und Kondensation sind die grundlegenden Prozesse im Wasserkreislauf.

Während des Wasserkreislaufs wird Süßwasser durch Verdunstung aus Salzwasser destilliert. Beim Verdunstungsprozess geht Wasser vom flüssigen in den gas- oder dampfförmigen Zustand über. Als nächstes erfolgt die Kondensation. Kondensation ist der Prozess, bei dem ein Gas in der Luft in flüssiges Wasser umgewandelt wird. Kondensation ist für die Bildung von Wolken verantwortlich, kühlt ab und fällt als Regen über die Ozeane und das Land (Bets, 2010). Niederschlag ist die wichtigste Verbindung im Wasserkreislauf, die für die Zufuhr von atmosphärischem Wasser zur Erde sorgt. Ein Teil des Wassers aus dem Niederschlag (z.B. Regen, Schnee) versickert in den unterirdischen Boden und Fels. Die Menge des infiltrierten Wassers hängt von der Bodenbedeckung oder der Bodenart ab (Bets, 2010).

3.1.6. Der Kohlenstoffzyklus

Kohlenstoff ist eine der wichtigsten Substanzen, aus denen lebendes Gewebe besteht. Leben ist ein Ereignis, das von der Existenz großer organischer Moleküle abhängt. Große Moleküle enthalten auch Kohlenstoff in ihrer Struktur. Ohne Kohlenstoff kann es kein Leben geben. Die natürliche Quelle von Kohlendioxid im Gestein sind Vulkane. Im Laufe von Millionen von Jahren hat sich jedoch ein Gleichgewicht zwischen dem neu ins Spiel gekommenen Kohlenstoff und dem als Kalkstein und fossiler Brennstoff deaktivierten Kohlenstoff herausgebildet. Das Kohlendioxid in der Atmosphäre und das Kohlendioxid im Wasser stehen im Gleichgewicht.

Die Bewegung von Kohlenstoff zwischen lebenden Organismen und der Umwelt wird als Kohlenstoffkreislauf bezeichnet. Kohlenstoff ist unvermeidlicher Bestandteil von Kohlenhydraten, Fetten, Proteinen und anderen Biomolekülen, die für alle Lebewesen notwendig sind. Im Kohlenstoffkreislauf der Umwelt hat Kohlendioxid zwei Senken: Die Atmosphäre und das Oberflächenwasser. Das atmosphärische Kohlendioxid (CO2) wird von Pflanzen und anderen photosynthetischen Organismen aus der Luft aufgenommen. Das Kohlendioxid (CO2) wird durch Photosynthese in Nährstoffe umgewandelt, die entlang der Nahrungskette genutzt werden. Wenn Organismen atmen, wird der Kohlenstoff als Kohlendioxid (CO2) wieder in die Atmosphäre abgegeben. Alle produzierten organischen Substanzen werden durch Atmung und Zersetzung nicht sofort in Kohlendioxid umgewandelt. Die von den Pflanzen produzierte organische Substanz wurde in geologischen Zeiten ohne Zersetzung vergraben, und Stein- und Braunkohle sowie Öl aus dem Plankton der Meere blieben vergraben.

Abbildung 5. Der Wasserkreislauf (URL-10)

In aquatischen Ökosystemen löst sich atmosphärisches CO2 im Wasser auf und produziert das Bikarbonation (HCO3-), das von Algen und Bakterien, die die Basis des aquatischen Nahrungsnetzes bilden, erhalten und fixiert werden kann.

Sowohl Pflanzen als auch Tiere geben in den Abfällen, die sie ausscheiden, gebundenen Kohlenstoff an den Boden zurück. Wenn sie sterben, geben sie ihren Kohlenstoff an die Umwelt zurück. Diese Prozesse schließen den Kohlenstoffkreislauf ab. Im Allgemeinen gibt die Zersetzung von Organismen Kohlendioxid (CO2) an die Atmosphäre zurück (Kooijman, 2010; Woodmansee, 1990).

Ein Teil des Kohlenstoffs liegt tief in der Erde in Form von Kälte, Öl, Erdgas, den Materialien, die wir "fossile Brennstoffe" nennen. Fossile Brennstoffe sind Produkte der vollständigen oder teilweisen Zersetzung von pflanzlichen Tierresten als Ergebnis der Einwirkung von Hitze und Druck in der Erdkruste über Millionen von Jahren. Wenn diese Brennstoffe extrahiert und verbrannt werden, setzen sie Kohlendioxid (CO2) und Kohlenmonoxidgas in die Luft frei.

Abbildung 6. Der Kohlenstoffkreislauf (URL-10)

3.1.6.1. Globale Erwärmung

In den letzten 100 Jahren ist der globale atmosphärische Kohlendioxidgehalt (CO2) um etwa 30 % gestiegen. Der Anstieg des Kohlendioxid (CO2)-Gehalts in der Atmosphäre ist auf eine Verschlechterung des Kohlenstoffkreislaufs zurückzuführen, die hauptsächlich auf die Verbrennung fossiler Brennstoffe und verschiedene menschliche Aktivitäten zurückzuführen ist. Dies hat die Treibhausfähigkeit der Erdatmosphäre erhöht und bewirkt, dass die Erde heißer wird. Diese Tatsache wird als "Globale Erwärmung" bezeichnet (Kooijman, 2010). Die Klimaveränderung erfordert eine tiefgreifende Senkung der Emissionen sowie den weltweiten Einsatz von Alternativen zu fossilen Brennstoffen.

Abbildung 7. Wie der Treibhauseffekt funktioniert (URL-11)

3.1.7. Stickstoff-Zyklus

Stickstoff, das in der Atmosphäre am häufigsten vorkommende Element, ist lebensnotwendig. Abgesehen von den Proteinen, die die Grundlage des lebenden Körpers bilden, findet er sich in der Struktur von Nukleinsäuren, verschiedenen Hormonen und Vitaminen, die als Vererbung dienen.

Stickstoffgas (N2) macht 78 % der Atmosphäre aus, aber es kann nicht direkt von Pflanzen aufgenommen werden, ohne eine Umwandlung zu erfahren. Dieser Stickstoff bewegt sich sowohl durch biotische als auch durch abiotische Teile des Ökosystems. Er durchläuft hauptsächlich biologische Prozesse. Dieser Prozess wird als "Stickstoffkreislauf" bezeichnet (Stein und Klotz, 2016).

Die Grundlage des Stickstoffkreislaufs ist die Umwandlung von freiem Stickstoff in der Luft in anorganische Salze und dann in stickstoffhaltige organische Moleküle in Lebewesen; er bildet auch die Umwandlung organischer Moleküle in anorganische Salze durch Abbau durch biologische Zersetzung. In Böden mit weniger Nitratsalzen ist die vegetative Produktion um so geringer. Auf die menschliche Gesellschaft bezogen bedeutet Stickstoffmangel in der Umwelt Eiweißmangel, nämlich Ernährungs- und Hungerprobleme. Aus diesem Grund ist es von großer Bedeutung, das in der Luft enthaltene Stickstoffgas in eine chemische Form umzuwandeln, die Pflanzen sowohl auf natürliche als auch auf künstliche Weise nutzen können.

Abbildung 8. Zwischenprodukte des Stickstoffkreislaufs. (Stein und Klotz, 2016)

Es gibt vier große biologische Transformationsschritte im Stickstoffzyklus: Stickstofffixierung, Ammonifizierung, Nitrifikation und Denitrifikation (Markov, 2012).

a. Stickstoff-Fixierung: Stickstofffixierung tritt auf, wenn bestimmte Bakterien das Stickstoffgas (N2) in Ammonium (NH3) umwandeln, das die Pflanzen verwenden können. Dieser Prozess wandelt das Stickstoffgas (N2) in eine Form um, die die Pflanzen über ihr Wurzelsystem aufnehmen können. Einige Bakterien (Rhizobium) stehen in einer sumbiotischen Beziehung zu bestimmten Hülsenfrüchten, andere Bakterien leben frei im Boden oder Wasser, wie Cyanobakterien oder Azotobacter.

b. Nitrifikation: Nitrifikation ist der Prozess der Nitrate während des Stickstoffzyklus. Nitrat ist eine wertvolle Stickstoffquelle für Pflanzen. Die Nitrifikation kann in einem zweistufigen Prozess erfolgen: Das Ammoniumion wird von Nitrosomonos zunächst in Nitrit (NH4+ + O2 → NO2 + H2O + H+) und dann NO2- in NO3- (Nitrat) umgewandelt. Pflanzen absorbieren NH4 und NO3- aus dem Boden und nutzen diese Ionen, um Proteine und Nukleinsäuren hervorzubringen.

c. Ammonifikation: In diesem Prozess wandeln Zersetzungsbakterien die stickstoffreichen Abfallverbindungen in einfachere um.

d. Denitrifikation: Die Rückumwandlung von Nitrat in Stickstoffgas wie N2O, NO und N2, das in die Atmosphäre freigesetzt wird, nennen wir "Denitrifikation". Die Denitrifikation wirkt sich negativ auf die Landwirtschaft aus, da sie zu einem Gesamtverlust von Stickstoff aus den Böden führt.

Verschiedene Messungen zeigen, dass der Stickstoffzyklus in der Natur ein ziemlich regelmässiger, ausgeglichener Zyklus ist. Die Hauptverluste in diesem Zyklus sind: Die Akkumulation von Nitraten, die vom Grundwasser und den Flüssen in die Meere transportiert werden, findet in den Bodensedimenten statt, wenn diese den Kreislauf verlassen. Man geht jedoch davon aus, dass die Stickstoffgase, die der Luft durch Vulkanausbrüche zugeführt werden, diesen Verlust teilweise ausgleichen.

Der Mensch beeinflusst den Stickstoffkreislauf sowie alle Kreisläufe. Die wichtigste Wirkung des Menschen auf den Stickstoffkreislauf erfolgt durch den Nachweis von Stickstoff in der Luft für die Düngerproduktion durch menschliche Hände. Die Umwandlung von Stickstoff in Düngemittel durch die Industrie hat heute ein beträchtliches Niveau erreicht. Um die wachsende Bevölkerung zu ernähren, nimmt der Einsatz von anorganischen Düngemitteln in der Welt jedes Jahr zu. Stickstoffhaltige Düngemittel machen mehr als die Hälfte des gesamten Düngemittelverbrauchs aus. Die künstliche Bestimmung von Stickstoff ist ein sehr energieintensiver Prozess. Diese Energie wird durch fossile Brennstoffe bereitgestellt. Daher wird ein weiterer Umwelteffekt der Bestimmung von Stickstoff als Dünger in der Verwendung fossiler Brennstoffe gesehen.

Neben Düngemitteln, die in der Landwirtschaft verwendet werden, erhöhen Abwässer, Rückstände aus verschiedenen stickstoffhaltigen chemischen Industrien die Menge an Nitraten und anderen stickstoffhaltigen Chemikalien in Seen, Flüssen und küstennahen Meeresgewässern. Dies trägt zusammen mit Phosphaten zum Eutrophierungsereignis bei. Ein weiterer Einfluss des Menschen auf den Stickstoffkreislauf erfolgt durch Stickoxide (NO) aus fossilen Brennstoffen, die in der Industrie und in Fahrzeugen verwendet werden. Stickoxide sind die Hauptgase, die zur Luftverschmutzung in großen Städten beitragen.

3.1.8. Phosphor-Zyklus

Phosphor ist einer der Grundstoffe, die für Lebewesen wie Stickstoff notwendig sind. Nukleinsäuren in den Zellen, ATP, das für die Energieübertragung sorgt, in der Struktur der Zellmembran; es kommt auch in Zähnen und Knochen vor. Phosphatgesteine in der Erdkruste sind das Hauptreservoir für Phosphor in der Natur und das zweitgrößte Reservoir ist Wasser. Die Grundlage des Phosphorkreislaufs ist der Transport von Phosphor vom Land zum Meer und von den Meeren zum Land.

Der Phosphorkreislauf ist der biogeochemische Kreislauf, der den Phosphortransport und die chemische Umwandlung durch die Lithosphäre, Hydrosphäre und Biosphäre umfasst. Der Phosphorkreislauf ist ein langsamer Prozess, der Phosphor(P)-Umwandlungsschritte umfasst: Verwitterung und Ausfällung, Mineralisierung und Immobilisierung sowie Adsorption und Desorption (Eckert und Nishri, 2014; Flippelli, 2009).

Ein Teil des Phosphors in den Phosphatgesteinen in der Erdkruste wird durch Erosion in Wasser gelöst. Dieses anorganische Phosphat wird von Pflanzen meist in Form von im Wasser gelöstem Orthophosphat aufgenommen. Durch Fütterung wird es an pflanzen- und fleischfressende Tiere weitergegeben. Organische Phosphate in Pflanzenresten, Tierkadavern und Sekreten werden durch zersetzende Mikroorganismen in anorganische Form umgewandelt. Dadurch kann es von Pflanzen wieder verwendet werden. Der Anteil von Phosphor in lebenden Reserven ist im Vergleich zu Fels- und Wasserreservoiren recht gering.

Der grösste Teil des Phosphors verbleibt in ozeanischen Sedimenten, die aufgrund einer geologischen Hebung an Land gelangen. An Land wird Phosphor durch Verwitterung aus dem Gestein und dann durch Phosphationen im Boden freigesetzt, wo Pflanzen Phosphor aufnehmen und wachsen können. Neben den Pflanzen fressen auch Tiere Pflanzen und trinken Wasser und bauen einen Teil des Phosphats in ihren Körper ein. Wenn jedoch Pflanzen und Tiere sterben und die Zersetzung der tierischen Abfälle dazu führt, dass Phosphationen über das Wasser oder den Boden wieder an die Erzeuger zurückgegeben werden.

Verschiedene Wetterbedingungen wie Regen und Erosion tragen dazu bei, dass ein Teil des in Gesteinen gefundenen Phosphats in aquatische Ökosysteme gespült wird, wo es in den Sedimenten eingeschlossen wird. Phosphor, der in ozeanischen Sedimenten gefunden wird, wird für Pflanzen an Land nicht verfügbar (Eckert und Nishri, 2014). Die flachen Meeressedimente kehren mit der Bildung von Gebirgen als Folge der geologischen Bewegungen der Erdkruste über einen Zeitraum von Millionen von Jahren wieder an Land zurück. Auf diese Weise wird Phosphor recycelt.

Abbildung 9. Der Stickstoffkreislauf (URL 10)

Der Einfluss des Menschen auf den natürlichen Phosphorkreislauf hat den ohnehin schon schnellen Fluss des Phosphors vom Land ins Meer weiter beschleunigt. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts werden Phosphatgesteine in großem Umfang als Düngemittel verwendet. Diese Phosphatdünger, die dem Boden zugesetzt werden, bleiben ebenso wie stickstoffhaltige Düngemittel nicht lange im Boden. Ein bedeutender Teil davon fliesst in die Meere mit unterirdischen und oberirdischen Gewässern. Es werden ständig neue Phosphatablagerungen verarbeitet, um den Phosphatverlust aus dem Boden auszugleichen.

Abbildung 10. Phosphor-Zyklus (URL-12)

3.1.9. Schwefel-Zyklus

Der Schwefel in den Schwefelverbindungen, die an die Oberfläche der Steinkugel aufsteigen, reagiert mit dem Luftsauerstoff und nimmt bei Kontakt mit Wasserdampf die Form von Schwefeldioxid (SO2), Schwefeltrioxid (SO3) und schliesslich Schwefelsäure (H2SO4) an. Der in der Luft enthaltene Schwefel kehrt im Allgemeinen in dieser Form, nämlich als Schwefelsäure, durch Regen in den Boden zurück und gelangt in den Kreislauf. In sauerstofffreien Systemen wird Schwefel zwischen zwei Gruppen von Bakterien in unterschiedlichen chemischen Formen ausgetauscht (Benerje et al., 2013. Schwefelbakterien nutzen den Sauerstoff in sulfatierten Substanzen, um sie in Schwefelwasserstoff umzuwandeln. Einige Bakterien nutzen auch H2S-Gas als Energiequelle. Diese Bakterien werden als "chemosynthetische Bakterien" bezeichnet.

Die Industrialisierung hatte in den letzten zwei Jahrhunderten einen großen Einfluss auf den Schwefelhaushalt. Die Nutzung fossiler Brennstoffe und der Bergbau haben die Menge von H2SO4 in der Atmosphäre stark erhöht. Daher ist Schwefel zu einem der Hauptverursacher der Luftverschmutzung geworden.

3.1.9.1. Asit-Regen-Problem

Regenwasser ist normalerweise leicht sauer. Der Grund dafür sind die Säuren, die durch die Reaktion von natürlich vorkommendem CO2 und natürlich geringen Mengen von Schwefel- und Stickoxiden mit Wasser entstehen. In Regionen, in denen der Umwelt große Mengen an Schwefeldioxid zugeführt werden, steigt auch der Säuregehalt des Regenwassers. Einer der Hauptgründe für das Entstehen des sauren Regens als internationales Problem ist die in den 1960er Jahren weit verbreitete Praxis des Hochkaminbaus zur Reinigung der Stadtluft von SO2. Diese Schornsteine, von denen einige bis zu 300 Meter lang sind, schützten die Siedlungen vor SO2, aber dieses Mal begann das in die Atmosphäre ausgestoßene SO2 auf große Gebiete als Säure zu regnen.

Abbildung 11. Schwefel-Zyklus (URL-13)