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Kohlenstoff- & Stickstoffkreislauf
Biologie · Klasse 11–12 · 6 Blätter · 75 Aufgaben
LehrplanHessen: Stoffwechsel und Regelmechanismen · bis Ende Jg. 9/10Hessen: Q3.1 Strukturen und Zusammenhänge in ÖkosystemenHessen: Q3.1 Strukturen und Zusammenhänge in Ökosystemen · LK
Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf, dazu die Rechnungen zum Energiefluss und zur Umrechnung zwischen Kohlenstoff und CO₂.
Worum es geht
Stoffe werden im Ökosystem im Kreis geführt: Produzenten bauen sie ein, Konsumenten geben sie weiter, Destruenten mineralisieren sie wieder. Energie dagegen fließt durch: Auf jeder Stufe geht der größte Teil als Wärme verloren, nur etwa 10 % gelangen zur nächsten Stufe. Kohlenstoff kreist als CO₂ und organische Substanz, Stickstoff über Ammonium, Nitrit, Nitrat und N₂.
Der Stickstoffkreislauf
| Prozess | Umwandlung | wer |
|---|---|---|
| Stickstofffixierung | N₂ → NH₄⁺ | Knöllchenbakterien, Cyanobakterien (Nitrogenase) |
| Ammonifikation | organischer Stickstoff → NH₄⁺ | Destruenten |
| Nitrifikation | NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ | nitrifizierende Bakterien, aerob (Chemosynthese) |
| Denitrifikation | NO₃⁻ → N₂ | Bakterien bei Sauerstoffmangel, z. B. Staunässe |
| Umrechnung C ↔ CO₂ | m(CO₂) = m(C) · 44/12 | M(C) = 12 g/mol, M(CO₂) = 44 g/mol |
Beispiel, Schritt für Schritt
Aufgabe: Die Produzenten legen 20 000 kJ pro m² und Jahr fest; je Übergang werden 10 % weitergegeben. Wie viel Energie erreicht die Sekundärkonsumenten?
| Schritt | Rechnung | Warum |
|---|---|---|
| 1 · Stufen nummerieren | Produzenten 1, Primärkonsumenten 2, Sekundärkonsumenten 3 | die Produzenten sind die 1. Stufe |
| 2 · Übergänge zählen | 3 − 1 = 2 Übergänge | Energie geht nur an Übergängen verloren |
| 3 · Faktor | 0,1² = 0,01 | pro Übergang einmal 10 % |
| 4 · Ergebnis | 20 000 kJ · 0,01 = 200 kJ | der Rest ging als Wärme, Ausscheidung und unverwertete Biomasse verloren |
Der typische Fehler
Stufen statt Übergänge zählen. Wer für die 3. Stufe 0,1³ rechnet, kommt auf 20 kJ. Es liegt nahe, weil »dritte Stufe« nach dem Exponenten 3 klingt. Zwischen Stufe 1 und Stufe 3 liegen aber nur zwei Übergänge. Rückwärts gilt dasselbe: Für 10 kJ auf Stufe 4 braucht man 10 / 0,1³ = 10 000 kJ bei den Produzenten.
So prüfst du dein Ergebnis
Richtung prüfen. Nach oben in der Nahrungskette wird die Energie kleiner, rückwärts größer. Bei der Umrechnung ist die CO₂-Masse immer etwa 3,7-mal so groß wie die Kohlenstoffmasse, weil zwei Sauerstoffatome dazukommen.