Wälder: Eine kostenlose Stickstoffmahlzeit? Ich kann es mir nicht leisten zu essen

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Zheng Mianhai (Südchinesischer Botanischer Garten, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Der menschliche Körper muss ständig Nährstoffe nachliefern, und auch in der Natur müssen Tiere und Pflanzen ständig Nährstoffe nachliefern.

Ähnlich wie Menschen benötigen Pflanzen und Tiere in der großen Familie des Waldes viele Nährstoffe, beispielsweise Stickstoff, Phosphor, Kalium, Kalzium, Natrium, Magnesium, Eisen usw. Stickstoff ist unter diesen das grundlegendste und wichtigste Element. Denn ohne Stickstoff gibt es kein Protein und ohne Protein kein Leben.

Der Proteingehalt in Pflanzen kann bis zu 80–85 % erreichen, während der Stickstoffgehalt im Protein durchschnittlich 16–18 % beträgt. Im Wald sind Pflanzen für viele Tiere eine wichtige Nahrungsquelle. Was ist also die Nährstoffquelle für Pflanzen? Und noch ein weiterer Punkt: Woher kommt der Stickstoff in den Pflanzen?

Wie „fressen“ Waldpflanzen Stickstoff?

Die Pflanzen im Wald scheinen weder Hände noch Füße zu haben und sich scheinbar nicht „bewegen“ zu können. Wie also erhalten sie Nährstoffe wie Stickstoff?

Schauen wir uns zunächst an, wo Stickstoff auf der Erde verteilt ist. In der Natur liegt der größte Teil des Stickstoffs in der Luft in Form von Gas (Stickstoff) vor, das 78 % des Luftvolumens ausmacht. Bedeutet ein so hoher Stickstoffgehalt in der Luft, dass Pflanzen Stickstoff problemlos aufnehmen können, indem sie einfach die Stomata auf ihren Blättern öffnen?

Tatsächlich kann Stickstoff von Organismen nicht direkt genutzt werden. Auch wenn er eingeatmet wird, wird er auf demselben Weg wieder ausgeschieden, da Stickstoff von Pflanzen nicht direkt „verdaut“ werden kann.

Stickstoff in der Luft

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Was genau müssen Pflanzen also tun?

Tatsächlich haben Pflanzen im Laufe der langen Evolution eine Vielzahl von Möglichkeiten entwickelt, Stickstoff zu gewinnen.

Erstens: Spezialisierte Pflanzen tun spezialisierte Dinge . Es gibt eine Klasse von Pflanzen, die auf die Gewinnung von Stickstoff spezialisiert sind, die sogenannten stickstoffbindenden Knöllchenpflanzen . Anders als andere Pflanzenarten kann diese Pflanzenart in Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien an ihren Wurzeln „Knöllchen“ bilden, die über effiziente Stickstofffixierungsfähigkeiten verfügen. Auf diese Weise kann Stickstoff in der Luft durch Wurzelknöllchen fixiert und dann weiter in „Ammoniak“ umgewandelt werden, das von Pflanzen verdaut werden kann.

Aufgrund dieser Kooperationsgrundlage zwischen Pflanzen und stickstofffixierenden Bakterien müssen die Pflanzen den stickstofffixierenden Bakterien in den Knöllchen lediglich „befriedigen“ (zum Beispiel indem sie ihnen etwas kohlenhydrathaltige Nahrung geben), um den gewünschten Stickstoff von den stickstofffixierenden Bakterien zu erhalten.

Knöllchen stickstofffixierender Pflanzen

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Der zweite Typ, spezialisierte Mikroben, leistet mehr. Wenn in der Natur nur Knöllchenpflanzen Stickstoff fixieren können, würde das dann nicht bedeuten, dass sie den Stickstoffversorgungsmarkt „monopolisieren“? Tatsächlich gibt es im Wald eine andere Art stickstofffixierender Bakterien, die sogenannten autogenen stickstofffixierenden Bakterien . Wie der Name schon sagt, haben sie sich nicht dazu entschieden, mit den Pflanzen zu kooperieren, sondern sind stattdessen auf eigene Faust in den Kampf gezogen (haben sich selbst verteidigt). Der in den nach ihrem Tod gebildeten Überresten enthaltene Stickstoff kann von Mikroorganismen zersetzt und von Pflanzen weiterverwendet werden.

Selbstgenerierende stickstofffixierende Bakterien sind in allen Ecken des Waldes weit verbreitet, unter anderem im Boden, in abgefallenen Blättern, toten Ästen, morschem Holz, Epiphyten und Pflanzenblättern. Der Wald bietet ihnen vielfältige Lebensräume, die ihren Bedürfnissen entsprechen. Zudem kommt ihre Anwesenheit dem Stickstoffbedarf vieler Waldpflanzen zugute.

Mikrobielle Stickstofffixierung

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Die dritte Art besteht darin, dass Menschen kostenlose „Gratis-Mahlzeiten“ anbieten. Die Fabriken und Unternehmen, die wir Menschen bauen, sowie die Abgase, die durch den Verkehr in die Luft abgegeben werden, enthalten große Mengen aktiver Stickstoffverbindungen. Diese stickstoffhaltigen Verbindungen können mit dem Wind durch die Luft schweben und schließlich in den Wald gelangen, indem sie direkt herabfallen (trockene Deposition) oder sich im Regenwasser auflösen und dann herabfallen (nasse Deposition), wo sie von Pflanzen aufgenommen und genutzt werden. Der Mensch bietet den Waldpflanzen also ein kostenloses „Festmahl“.

Stickstoffbelastung der Atmosphäre durch menschliche Aktivitäten

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Oberflächlich betrachtet: kostenlose „Stickstoffmahlzeit“, in Wirklichkeit: enorme Kosten

Allerdings scheint die kostenlose Bewirtschaftung der Wälder durch den Menschen die Marktordnung der Wälder gestört zu haben.

Ob stickstofffixierende Pflanzen oder stickstofffixierende Bakterien: Für die Durchführung von Stickstofffixierungsreaktionen ist ein hoher Energieaufwand erforderlich. Warum sollte sich der Wald dagegen nicht freuen, wenn dieser „Kuchen“ vom Himmel fällt – stickstoffhaltige Verbindungen, die aus der Luft fallen? Allmählich stellten die Knöllchen bildenden und Stickstoff fixierenden Pflanzen die Knöllchenbildung ein und die Stickstoff fixierenden Bakterien schienen nicht mehr bereit zu sein, Stickstoff zu fixieren. Sie alle neigten dazu, den nicht freigesetzten Stickstoff aus atmosphärischen Niederschlägen aufzunehmen.

Stickstoffversorgungsmethode

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Gibt es in der Natur tatsächlich ein wirklich „kostenloses Mittagessen“? Die Antwort ist nein. Wenn einem Wald Stickstoff fehlt (Unterernährung), handelt es sich um eine instinktive biologische Reaktion, Stickstoff aufzunehmen. Wenn der Wald jedoch bereits reich an Stickstoff ist (Nährstoffüberschuss), kann dies den gegenteiligen Effekt haben.

Der aus der Luft abgeschiedene Stickstoffkuchen kann einfach keinen Befehlen gehorchen. Mit der Zeit reichert sich der Stickstoff, der in den Wald gelangt, immer mehr an. Schließlich können die Pflanzen aufgrund von zu viel Stickstoff „sterben“ oder „dünn“ werden, weil andere Nährstoffe (Phosphor, Kalium, Kalzium usw.) nicht mithalten können (Ungleichgewicht der verschiedenen Nährstoffverhältnisse). Eine zu hohe Stickstoffzufuhr ist also nicht gut und auch kostenlose Dinge haben ihren Preis.

Tatsächlich haben nicht alle stickstoffbindenden Pflanzen und stickstoffbindenden Bakterien im Wald die gleiche Vorstellung. Schließlich verursachen unterschiedliche Entscheidungen unterschiedliche Kosten. Daher wird es weiterhin eine beträchtliche Anzahl stickstofffixierender Pflanzen und Bakterien geben, die sich dafür entscheiden, „autark“ zu sein und so viel „zu verdienen“, wie sie benötigen.

Im Wald nutzen einige „intelligente“ (oder „faule“) Pflanzen und Mikroorganismen den Stickstoff, der sich aus der Luft absetzt, direkt zur Ergänzung ihrer Nährstoffversorgung. Es gibt jedoch auch einige nicht ganz so „intelligente“ (oder „fleißige“) stickstofffixierende Bakterien, die Energie verbrauchen, um Stickstoff zu fixieren.

Tatsächlich stellten wir fest, dass diese scheinbar nicht sehr „intelligenten“ stickstofffixierenden Mikroorganismen nicht „dumm“ sind. Sie nutzen auf clevere Weise kostengünstige Energie im Wald (wie etwa in abgefallenen Blättern und organischer Bodensubstanz gelösten Kohlenstoff), um Stickstoff zu fixieren. Dieser „Kohlenstoff-zu-Stickstoff“-Ansatz spart ihre eigenen Energiekosten. Dies ist auch eine wahre Darstellung des „Kampfes der Intelligenz und des Mutes“ in der Waldgesellschaft.

Dennoch lässt sich nicht leugnen, dass die durch die menschliche Produktion und das Leben ausgestoßenen Abgase die normale Ordnung des Waldes bereits beeinträchtigt haben.

Wir haben außerdem herausgefunden, dass sich Stickstoff, der aus der Luft in den Wald gelangt, zunächst in Pflanzen und im Boden anreichert. Der Stickstoff im Boden setzt durch die Nitrifikationswirkung der Mikroorganismen mehr Wasserstoffionen (H+) frei, was zu einer Versauerung des Bodens führt. Die versauerte Umgebung ist für das Wachstum von Pflanzen und Mikroorganismen nicht förderlich. Die Atmung der Organismen wird geschwächt, was zum Absterben der feinen Wurzeln der Pflanzen und der Mikroorganismen führt.

Gleichzeitig werden aus den Böden vermehrt stickstoffhaltige Treibhausgase (wie N2O) freigesetzt, was die Klimaerwärmung verschärft. Wenn die von Menschen erzeugten Abgase nicht kontrolliert werden, werden viele Wälder in Zukunft unter einem Stickstoffüberschuss leiden, der eine Umweltkrise auslösen kann.

Waldschädigung

(Quelle: Veer Gallery)

Schutz des gemeinsamen Lebensraums Wald

Der Wald ist nicht nur die Heimat von Tieren und Pflanzen, sondern auch der Lebensraum, von dem wir Menschen zum Überleben abhängig sind. Obwohl wir nicht wollen, dass die Waldpflanzen unterernährt werden, sollten wir auch die Gesetze der Natur respektieren. Kurzfristig können stickstoffhaltige Abgase, die durch menschliche Aktivitäten freigesetzt werden, für das Pflanzenwachstum von Vorteil sein, langfristig wird der dadurch verursachte Schaden jedoch unermesslich sein. Dies führt beispielsweise zu einer Verringerung der Pflanzenvielfalt, einer Verschlechterung der Waldumwelt und einer Verstärkung des Treibhauseffekts. Und diese werden letztlich Auswirkungen auf das Leben und die Gesundheit der Menschen haben.

Gegenwärtig ist die menschliche Gesellschaft mit der Bedrohung durch den Klimawandel konfrontiert. Das Erreichen der „dualen Kohlenstoffziele“ (Kohlenstoffneutralität und Kohlenstoffspitzenwert) ist sowohl eine nationale Strategie als auch eine gesellschaftliche Notwendigkeit. Wälder sind wichtige Ökosysteme zur Erhöhung der Kohlenstoffsenken (Aufnahme von Treibhausgasen aus der Atmosphäre). In Zukunft werden Wissenschaftler die Mechanismen zur Steigerung der Kohlenstoffsenkenkapazität von Wäldern weiter untersuchen und auch weitere Technologien zur Kohlenstoffbindung auf der Grundlage biologischer Prozesse erforschen.

Für uns ist es eine Verantwortung, unser Bewusstsein für den Umweltschutz weiter zu stärken, die Gesetze der Natur zu respektieren, die Blumen, Pflanzen und Bäume um uns herum auf wissenschaftliche und rationale Weise zu pflanzen und zu schützen und unser gemeinsames Zuhause Wald zu schützen!