Aufgaben: Die Stoffkreisläufe

Erklären Sie den Unterschied zwischen einem gasförmigen und einem sedimentären biogeochemischen Kreislauf und ordnen Sie die Kreisläufe von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor jeweils einem der beiden Typen zu. Begründen Sie Ihre Zuordnung.

Beschreiben Sie die Rolle der stickstofffixierenden Bakterien und der nitrifizierenden Bakterien. Geben Sie an, welche chemische Umwandlung jede Gruppe vollzieht und warum sie für die Ernährung der Pflanzen unverzichtbar sind.

Schreiben Sie die Gesamtgleichungen der Fotosynthese und der aeroben Zellatmung auf und erklären Sie, welche Rolle beide Prozesse in entgegengesetzter Richtung im Kohlenstoffkreislauf spielen.

Definieren Sie Reservoir und Fluss in einem biogeochemischen Kreislauf. Bestimmen Sie ein konkretes Reservoir und einen konkreten Fluss im Kohlenstoffkreislauf und erklären Sie, welcher Prozess diesen Fluss aufrechterhält.

Erklären Sie, was der Abbau organischer Substanz ist, welche Organismengruppen ihn durchführen und warum die Stoffkreisläufe ohne sie zum Erliegen kämen, selbst wenn es weiterhin Produzenten gäbe.

Nennen Sie die wichtigsten chemischen Formen, die der Stickstoff im Verlauf seines Kreislaufs annimmt (atmosphärisches $\text{N}_2$, Ammonium, Nitrit, Nitrat und organische Substanz), und erklären Sie, warum die meisten Pflanzen das $\text{N}_2$ der Luft nicht direkt nutzen können.

Erklären Sie, welche Rolle das Phytoplankton im Kohlenstoffkreislauf der Ozeane spielt und warum man sagt, die Ozeane wirkten wie ein Schwamm für das atmosphärische $\text{CO}_2$.

Die Verbrennung von Benzin und die Zellatmung setzen $\text{CO}_2$ frei. Erklären Sie, was beide Prozesse chemisch gemeinsam haben, worin sie sich unterscheiden und warum nur einer von ihnen über Millionen von Jahren Teil des natürlichen Kohlenstoffkreislaufs war.

Bringen Sie die folgenden Schritte des Stickstoffkreislaufs in die Reihenfolge, in der sie in einem Ökosystem aufeinander folgen, und beschreiben Sie kurz, worin jeder besteht: Nitrifikation, Fixierung, Denitrifikation und Ammonifikation.

Phosphor ist in terrestrischen Ökosystemen häufig der limitierende Nährstoff. Erklären Sie, was es bedeutet, dass ein Nährstoff „limitierend“ ist, warum der Phosphorkreislauf so langsam verläuft und welche Folge es hat, dass er keine gasförmige Phase besitzt.

Das Schema stellt die wichtigsten Reservoire und Flüsse des Kohlenstoffkreislaufs dar. Benennen Sie die mit den Buchstaben a, b und c gekennzeichneten Prozesse, geben Sie an, welcher Prozess dem mit „?“ markierten Pfeil entspricht, und erklären Sie, wie dieser Fluss das Gleichgewicht des Kreislaufs verändert.

Beschreiben Sie den möglichen Weg eines Kohlenstoffatoms, vom Zeitpunkt, an dem es Teil des atmosphärischen $\text{CO}_2$ ist, bis es in einen Muskel Ihres Körpers eingebaut wird und in die Atmosphäre zurückkehrt. Nennen Sie dabei den biologischen Prozess jedes Schrittes (Fotosynthese, Nahrungsaufnahme, Atmung ...).

Die Wurzeln der Hülsenfrüchtler (Leguminosen) beherbergen Knöllchen mit Bakterien der Gattung Rhizobium. Erklären Sie, was Pflanze und Bakterium in dieser Symbiose austauschen, welchen Prozess des Stickstoffkreislaufs das Bakterium durchführt und welchen landwirtschaftlichen Vorteil es hat, Leguminosen in die Fruchtfolge aufzunehmen.

Ein reifer Wald bindet pro Hektar und Jahr $10\ \text{t}$ $\text{CO}_2$, aber seine Bäume und Destruenten setzen im selben Zeitraum $9{,}5\ \text{t}$ durch Atmung frei. Berechnen Sie die jährliche Netto-Kohlenstoffbindung des Waldes und erklären Sie, warum ein junger, wachsender Wald deutlich mehr Kohlenstoff bindet als ein reifer, obwohl er insgesamt weniger $\text{CO}_2$ fixiert.

Erklären Sie, wie die Abholzung eines tropischen Einzugsgebiets gleichzeitig den Kohlenstoffkreislauf und den Wasserkreislauf verändert: Was geschieht mit dem in der Biomasse gespeicherten Kohlenstoff, mit der Evapotranspiration, mit den Niederschlägen der Region und mit dem Oberflächenabfluss?

Rinder stoßen bei der Verdauung Methan ($\text{CH}_4$) aus. Erklären Sie, welcher anaerobe Prozess es erzeugt, in welchen Stoffkreislauf er einzuordnen ist und warum sein Ausstoß Sorge bereitet, obwohl er mengenmäßig weit geringer ist als der von $\text{CO}_2$ (vergleichen Sie ihr Treibhauspotenzial).

Ein Umweltüberwachungsteam beobachtet eine Küstenlagune nach einem Eintrag von landwirtschaftlichem Oberflächenabfluss und verzeichnet die folgenden Daten:

• Tag 5: Konzentration von reaktivem Phosphor an der Oberfläche von $0,8\text{ mg/L}$ und Chlorophyll $a$ von $65\ \mu\text{g/L}$; Sättigung von gelöstem $\text{O}_2$ von $145\,\%$ mittags in den obersten $40\text{ cm}$ Tiefe.

• Tag 20: Sauerstoffsättigung $\text{O}_2$ an der Oberfläche von $35\,\%$ bei Sonnenaufgang; extreme Trübung ($40\text{ NTU}$); gelöstes $\text{O}_2$ am Grund ($3\text{ m}$) bei $0,3\text{ mg/L}$, mit Freisetzung von Schwefelwasserstoff ($\text{H}_2\text{S}$) und Massensterben der Bodenfauna.

Ein Techniker der Stadt behauptet: „Es ist unmöglich, dass Fische ersticken, wenn die Algen durch Fotosynthese reichlich Sauerstoff produzieren; die Ursache muss eine direkte chemische Giftwirkung des Nitrats sein.“

1. a) Widerlegen Sie die Behauptung des Technikers mit biogeochemischen Argumenten: Begründen Sie, warum eine massenhafte Vermehrung autotropher Organismen zwangsläufig zu Sauerstoffmangel im Tiefenwasser und in der Nacht führt.
2. b) Erklären Sie, welche trophische Gruppe sich ab Tag 15 vermehrt und welche Wege des anaeroben Stoffwechsels das Vorkommen von $\text{H}_2\text{S}$ am Grund erklären.
3. c) Sagen Sie voraus, welche unmittelbaren ökologischen Folgen für den Stoffkreislauf es hätte, die Lagune mit einem chemischen Algizid zu behandeln, um das Phytoplankton auszurotten.

Zwei Hochgebirgsseen, die gleich weit von einem Industriegebiet mit Kohlekraftwerken entfernt liegen, erhalten anhaltend Niederschläge mit einem mittleren pH-Wert von $4,1$. Die biologische und chemische Beobachtung ergibt sehr unterschiedliche Daten:

• See A (in einem Granit-Einzugsgebiet): Er hat seine Bestände an Salmoniden und Amphibien verloren; in seinem Wasser wird eine Konzentration von gelöstem $\text{Al}^{3+}$ von $0,35\text{ mg/L}$ nachgewiesen.

• See B (in einem Kalk-Einzugsgebiet): Er hat seinen Fischreichtum unversehrt bewahrt und weist kein nachweisbares gelöstes Aluminium auf.

1. a) Begründen Sie auf geologischer und chemischer Ebene, warum derselbe saure Regen im See A einen biologischen Zusammenbruch verursacht, im See B aber unschädlich ist.
2. b) Erklären Sie den biogeochemischen Mechanismus, durch den die Versauerung des umgebenden Bodens toxische Ionen wie $\text{Al}^{3+}$ mobilisiert und essenzielle Nährstoffe ($\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$) auswäscht, und sagen Sie die Auswirkungen dieses Phänomens auf den Wald im Einzugsgebiet A voraus.
3. c) Um den See A wiederherzustellen, schlägt ein Verein vor, regelmäßig große Mengen Löschkalk oder Calciumcarbonat direkt ins Wasser zu geben. Erörtern Sie die Grenzen und möglichen schädlichen Wirkungen dieser Maßnahme im Vergleich dazu, die Emissionen von $\text{SO}_2$ an der Quelle zu verringern.

Ein skeptischer Wissenschaftspublizist veröffentlicht folgende Nachricht: „Die Atmosphäre enthält etwa $850\text{ Gt}$ Kohlenstoff und die Ozeane mehr als $38\,000\text{ Gt}$. Unsere jährlichen Emissionen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe liegen nur bei etwa $10\text{ Gt}$. Da der Gesamtkohlenstoff des Planeten konstant ist und die anthropogenen Emissionen weniger als $0,03\,\%$ des marinen Reservoirs ausmachen, ist es absurd zu behaupten, wir könnten den globalen Kohlenstoffkreislauf verändern.“

1. a) Widerlegen Sie sein Argument, indem Sie zwischen der Dynamik des biologischen (schnellen) und des geologischen (langsamen) Kreislaufs unterscheiden: Verwenden Sie die Begriffe Fluss, Verweilzeit und dynamisches Gleichgewicht, um zu begründen, warum $10\text{ Gt/Jahr}$ das globale Klima destabilisieren.
2. b) Wenn die natürlichen Senken (Biosphäre und Meeresoberfläche) im Mittel $45\,\%$ des jährlich emittierten anthropogenen Kohlenstoffs aufnehmen, berechnen Sie, wie viele ppm $\text{CO}_2$ sich jährlich in der Atmosphäre anreichern, wenn bekannt ist, dass $1\text{ ppm} \approx 2,13\text{ Gt}$ atmosphärischem Kohlenstoff entsprechen.
3. c) Sagen Sie voraus, was mit der Fähigkeit des Ozeans geschieht, weiterhin als chemische Senke für $\text{CO}_2$ zu wirken, wenn die Temperatur des Oberflächenwassers steigt und sein pH-Wert sinkt. Begründen Sie dies mit dem chemischen Gleichgewicht von Kohlensäure und Carbonaten.

Zur Bekämpfung der globalen Erwärmung wurde ein Geoengineering-Projekt vorgeschlagen, das darin besteht, Meeresgebiete mit hoher Nährstoffkonzentration, aber geringem Chlorophyllgehalt (HNLC-Gebiete) zu „düngen“, indem lösliche Eisensalze eingebracht werden, um die biologische Kohlenstoffpumpe zu verstärken.

1. a) Begründen Sie, welche Nährstofflimitierung das Eisen in diesen Gebieten aufhebt, und beschreiben Sie den biogeochemischen Weg, den der fixierte Kohlenstoff nehmen muss, damit die Festlegung auf geologischer Skala (Jahrhunderte oder Jahrtausende) wirksam ist und nicht bloß ein schnelles biologisches Recycling.
2. b) Analysieren Sie die ökologischen Risiken am Meeresboden: Sagen Sie voraus, was in der tiefen Wassersäule geschieht, wenn ein massiver Regen aus organischem Meeresschnee in aphotische Zonen mit geringem Wasseraustausch absinkt.
3. c) Die aktuelle globale Erwärmung verstärkt die thermische Schichtung des Oberflächenozeans (sie erzeugt eine ausgeprägtere Thermokline). Sagen Sie voraus und begründen Sie, wie sich diese Schichtung auf die natürliche Funktionsweise der biologischen Pumpe auswirkt und welche Rückkopplung sie auf das $\text{CO}_2$ der Atmosphäre hervorruft.

Ein Maisanbaubetrieb muss $180\text{ kg N/ha}$ ausbringen. Der Agrarwissenschaftler schwankt zwischen zwei Bewirtschaftungsvarianten:

• Option 1: Ausbringen von synthetischem Mineraldünger (Harnstoff/Ammoniumnitrat), der industriell mit dem Haber-Bosch-Verfahren hergestellt wird.

• Option 2: Aussaat einer Zwischenfrucht aus Saatwicke (Vicia sativa, Leguminose) im Herbst/Winter, Einarbeiten als Gründüngung im Frühjahr und Ergänzung mit kompostierter Schweinegülle.

1. a) Vergleichen Sie beide Optionen hinsichtlich des Energieaufwands und des CO₂-Fußabdrucks: Begründen Sie, wie die $\text{N}\equiv\text{N}$-Bindung in der Industrie chemisch gespalten wird im Vergleich dazu, wie dies die symbiotische Nitrogenase in den Wurzelknöllchen leistet.
2. b) Nach einem Frühjahrsgewitter werden in Brunnen nahe Parzellen, die ausschließlich mit Option 1 behandelt wurden, Nitratkonzentrationen von $95\text{ mg/L}$ (der sichere Grenzwert beträgt $50\text{ mg/L}$) und Spitzen im Ausstoß von Distickstoffmonoxid ($\text{N}_2\text{O}$) in die Atmosphäre registriert. Erklären Sie, welche mikrobiellen Umwandlungen des Stickstoffkreislaufs beide Probleme aus dem überschüssigen Dünger hervorrufen.
3. c) Entwerfen Sie eine kombinierte Strategie, die die sofortige Verfügbarkeit des Mineraldüngers und die Nachhaltigkeit des biologischen Düngers nutzt und dabei Auswaschung und gasförmige Verluste minimiert.

Ein Umweltverträglichkeitsgutachten vergleicht zwei neu gebaute Wasserkraft-Staudämme:

• Staudamm A: Er überflutet ein bergiges, felsiges Tal im gemäßigten Klima, in dem zuvor die gesamte Baumbiomasse gefällt und entfernt wurde. Mittlere Wassertemperatur am Grund: $9\ ^\circ\text{C}$.

• Staudamm B: Er überflutet eine tropische Regenwaldebene, ohne die Vegetation und die dichte Humusschicht des Bodens zu entfernen. Mittlere Wassertemperatur am Grund: $26\ ^\circ\text{C}$.

Im ersten Betriebsjahrzehnt gibt Staudamm B je erzeugter MWh mehr Treibhausgase an die Atmosphäre ab als ein Erdgaskraftwerk.

1. a) Begründen Sie biogeochemisch, warum am Grund von Staudamm B der gelöste $\text{O}_2$ aufgezehrt wird und welche mikrobiellen Konsortien dafür sorgen, dass der in der Pflanzenbiomasse gespeicherte Kohlenstoff als Methan ($\text{CH}_4$) statt als Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$) freigesetzt wird.
2. b) Das Erwärmungspotenzial von $\text{CH}_4$ ist über 20 Jahre etwa 80-mal so groß wie das von $\text{CO}_2$. Diskutieren Sie vor diesem Hintergrund kritisch die gängige Behauptung, „Wasserkraft sei stets eine saubere und kohlenstoffneutrale Energiequelle“.
3. c) Entwerfen Sie zwei Maßnahmen vor dem Anstau und eine technische Managementmaßnahme an der Wasserfassung der Turbinen (Entnahmehöhe), um zu verhindern, dass sauerstofffreies, gasreiches Wasser flussabwärts abgegeben wird und dort plötzlich ausgast.

Anders als Kohlenstoff und Stickstoff ist der Phosphorkreislauf überwiegend sedimentär. In einer Agrarregion zeigt sich ein Paradox: Bodenanalysen weisen nach Jahrzehnten der Phosphatdüngung eine hohe Gesamtphosphor-Anreicherung auf, doch die Kulturpflanzen zeigen Symptome von Chlorose und Phosphormangel, sofern nicht weiter Mineraldünger ausgebracht wird, während die angrenzenden Oberflächengewässer eutrophieren.

1. a) Begründen Sie, warum das Fehlen einer nennenswerten Gasphase die natürliche Recyclingrate des Phosphors hin zu den Kontinenten bestimmt, und erklären Sie, welche biologischen und geologischen Prozesse seine Rückkehr auf das Festland im makroskopischen Maßstab ermöglichen.
2. b) Erklären Sie den Prozess der Festlegung oder Unlöslichmachung von Phosphor im Boden: Begründen Sie, wie der pH-Wert (sehr saure oder stark kalkhaltige Böden) die Bildung unlöslicher Salze mit Eisen, Aluminium oder Calcium beeinflusst, sodass der Phosphor für die Wurzeln nicht aufnehmbar ist.
3. c) Entwerfen Sie angesichts der absehbaren Erschöpfung der Apatit-Lagerstätten („Peak Phosphorus“) zwei Maßnahmen der Kreislaufwirtschaft für einen landwirtschaftlichen Betrieb, die darauf abzielen, den bereits in seinen Böden gebundenen Phosphor zu mobilisieren und aus den Abwasserströmen zurückzugewinnen, ohne von synthetischen Düngern abhängig zu sein.

Ein landwirtschaftlicher Zusammenschluss leitet sein mit Nitrat ($80\text{ mg/L}$) und löslichem Phosphor belastetes Abflusswasser durch ein künstliches Feuchtgebiet, bevor es in eine geschützte Küstenlagune gelangt. Am Ausgang des Feuchtgebiets ergeben die Analysen:

• Nitratkonzentration auf $9\text{ mg/L}$ verringert.

• Anhaltende Freisetzung von molekularem Stickstoff ($\text{N}_2$) in die Atmosphäre bei nahezu fehlender Emission von $\text{N}_2\text{O}$.

• Netto-Kohlenstoffanreicherung im Sediment mit einer Rate von $400\text{ g C/m}^2\cdot\text{Jahr}$.

1. a) Analysieren Sie die biogeochemische Zonierung des Feuchtgebiets: Begründen Sie, wie die oxidierte Rhizosphäre der Wasserpflanzen (Makrophyten) und der darunterliegende sauerstofffreie Schlamm räumlich zusammenwirken, um die aufeinanderfolgenden Prozesse Nitrifikation und Denitrifikation erfolgreich zu vollenden.
2. b) Erklären Sie den Mechanismus, durch den Feuchtgebiete über Jahrtausende Kohlenstoff in Raten speichern und anhäufen, die höher sind als die vieler reifer Wälder, und setzen Sie dabei die Wassersättigung in Beziehung zur geringen Aktivität der hydrolytischen Enzyme von Bakterien und Pilzen.
3. c) Sagen Sie die biogeochemischen Folgen für den Stickstoff- und den Kohlenstoffkreislauf voraus und begründen Sie diese, wenn dieses Feuchtgebiet künstlich entwässert würde, um es in Bauland umzuwandeln.