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Ein Nährstoffkreislauf bezieht sich auf die Bewegung und den Austausch von organischer und anorganischer Materie zurück in die Produktion von lebender Materie. Der Prozess wird durch die Wege des Nahrungsnetzes reguliert, die organisches Material in anorganische Nährstoffe zersetzen. Nährstoffkreisläufe finden innerhalb von Ökosystemen statt.
Nährstoffkreisläufe in der Natur werden biogeochemische Kreisläufe genannt, weil die Elemente sich zyklisch von der Umwelt zu lebenden Organismen und zurück in die Umwelt bewegen.
Ökosysteme veranschaulichen Recycling im geschlossenen Kreislauf, bei dem die Nachfrage nach Nährstoffen, die zum Wachstum der Biomasse beitragen, das Angebot in diesem System übersteigt. Es gibt regionale und räumliche Unterschiede in den Wachstums- und Austauschraten von Materialien, wobei einige Ökosysteme Nährstoffschulden (Senken) haben können und andere eine zusätzliche Versorgung (Quellen) haben. Diese Unterschiede werden durch die geologische Geschichte und Topographie verursacht.
In einem Nahrungsnetz ist eine Schleife oder ein Zyklus definiert als eine gerichtete Folge von einem oder mehreren Gliedern, die bei derselben Art beginnt und endet. Beispielsweise werden im Ozean Bakterien von Protozoen wie heterotrophen Mikroflagellaten ausgebeutet, die dann von den Ciliaten ausgebeutet werden. Dieser Weidetätigkeit folgt die Ausscheidung von Stoffen, die dann von Bakterien verwertet werden, so dass der Betrieb des Systems ein geschlossener Kreislauf ist.
Der enzymatische Aufschluss von Zellulose ist ein Beispiel für ökologisches Recycling. Cellulose, die zu den am häufigsten vorkommenden organischen Verbindungen auf der Erde gehört, ist das wichtigste Polysaccharid in Pflanzen, wo es die Zellwände bildet. Enzyme, die Zellulose abbauen, nehmen am ökologischen Recycling der natürlichen Pflanzenstoffe teil. Unterschiedliche Ökosysteme können unterschiedliche Abfallrecyclingraten aufweisen.
Die chemischen Elemente werden nach ihrer Verwendung wie folgt ständig recycelt:
Jedes Element hat seinen Nährstoffkreislauf und jeder Zyklus hat einen einzigartigen Weg, der Reservoire, Austauschbecken und Aufenthaltszeiten umfasst.
Reservoir – Eine Region, in der das Element in seiner höchsten Konzentration vorliegt und für einige Zeit gehalten und gespeichert wird. Beispielsweise sind Kohle oder fossile Brennstoffe Speicher für Kohlenstoff.
Austauschpools – Wenn Elemente für kurze Zeit gehalten werden. Beispielsweise verwenden Pflanzen und Tiere diese Elemente vorübergehend in ihren Systemen und geben sie wieder an die Umwelt ab.
Verweilzeit – Die Zeit, die ein Element an einem Ort gehalten wird.
Energie fließt gerichtet durch die Ökosysteme der Erde, tritt typischerweise in Form von Sonnenlicht ein und tritt in Form von Wärme aus. Die chemischen Bestandteile, aus denen lebende Organismen bestehen, sind jedoch anders: Sie werden recycelt.
Kohlendioxid und Methan sind Beispiele für Kohlenstoffverbindungen, die in der Atmosphäre zirkulieren und das globale Klima beeinflussen. Durch die Prozesse der Photosynthese und Atmung wird Kohlenstoff auch zwischen lebenden Organismen und nicht lebenden Bestandteilen des Ökosystems zirkuliert.
Der „schnelle“ Kohlenstoffkreislauf ist die Bewegung von Kohlenstoff durch biotische Komponenten in der Umwelt. Pflanzen und andere Organismen, die zur Photosynthese befähigt sind, gewinnen Kohlendioxid aus ihrer Umgebung und bauen daraus biologische Substanzen auf. Pflanzen, Tiere und Zersetzer wie Bakterien und Pilze geben Kohlendioxid durch Atmung an die Atmosphäre ab.
Die Bewegung von Kohlenstoff durch die abiotischen Elemente in der Umwelt wie Gesteine, Böden und Ozeane bildet den langsamen Kohlenstoffkreislauf. Die Bewegung von Kohlenstoff durch diese abiotischen Elemente kann bis zu 200 Millionen Jahre dauern.
Da Organismen wie stickstofffixierende Bakterien Stickstoff verwenden, um die biologischen Moleküle zu synthetisieren, die zum Überleben benötigt werden, muss atmosphärischer Stickstoff zuerst von stickstofffixierenden Bakterien in Wasser- und Bodenumgebungen in Ammoniak umgewandelt werden. Ammoniak wird dann von den Bakterien in Nitrit und Nitrat umgewandelt. Pflanzen gewinnen Stickstoff aus dem Boden, indem sie Ammonium (NH4-) und Nitrat über ihre Wurzeln aufnehmen. Nitrat und Ammonium werden dann zur Herstellung organischer Verbindungen verwendet. Tiere verzehren dann Pflanzen und gelangen so an den Stickstoff in den organischen Verbindungen. Der Stickstoff in organischer Form wird dann über die Nahrungskette weitergegeben, wenn andere Tiere diese Tiere fressen. Zersetzer geben dann Ammoniak in den Boden zurück, indem sie festen Abfall und tote oder verwesende Materie zersetzen. Nitrifizierende Bakterien wandeln Ammoniak in Nitrit und Nitrat um. Denitrifizierende Bakterien wandeln dann Nitrit und Nitrat in Stickstoff um und geben Stickstoff wieder an die Atmosphäre ab.
Phosphor ist ein essentieller Nährstoff, der sowohl für das Pflanzenwachstum als auch für Tiere benötigt wird. Es spielt eine wichtige Rolle bei der Zellentwicklung und ist ein Schlüsselbestandteil von Molekülen, die Energie speichern, wie Adenosintriphosphat (ATP), Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Lipiden.
Wenn Steine mit Regenwasser in Kontakt kommen, setzen sie mit der Zeit Phosphationen und andere Mineralien frei. Dieses anorganische Phosphat wird dann in Böden und Wasser verteilt. Pflanzen nehmen dann anorganisches Phosphat aus dem Boden auf, und diese Pflanzen können dann von Tieren verzehrt werden. Das Phosphat wird dann in organische Moleküle wie DNA eingebaut, und wenn Pflanzen oder Tiere sterben und verrotten, wird das organische Phosphat in den Boden zurückgeführt. Bakterien im Boden zersetzen dann die organische Substanz in Phosphatformen, die von Pflanzen aufgenommen werden können. Es ist auch ein Prozess, der als Mineralisierung bezeichnet wird. Phosphor im Boden kann dann in Gewässer und Ozeane gelangen und im Laufe der Zeit in Sedimente eingebaut werden.
Schwefel ist in seiner natürlichen Form und in dieser Form ein Feststoff; es ist auf den Sedimentzyklus beschränkt. Es kann durch physikalische Prozesse wie Wind, Erosion durch Wasser und geologische Ereignisse wie Vulkanausbrüche transportiert werden. Es kann auch durch den Ozean und durch seine Verbindungen wie Schwefeldioxid, Schwefelsäure, Sulfatsalze oder organischen Schwefel durch Regenfälle und Flüsse in die Atmosphäre, an Land und zurück in die Ozeane transportiert werden.
Pflanzen und Tiere spielen beide eine Rolle beim Sauerstoffkreislauf durch die Atmosphäre. Wie Sie wissen, ist Sauerstoff für viele Tiere, einschließlich Menschen, von entscheidender Bedeutung. Wir atmen Sauerstoff ein und unser Körper verwendet ihn, um während eines Prozesses namens Zellatmung Energie zu erzeugen. Bei diesem Prozess wird Kohlendioxid als Abfallprodukt freigesetzt, das wir ausatmen. Pflanzen nehmen Kohlendioxid während der Photosynthese auf, in der sie Nahrung und Sauerstoff herstellen. Der Sauerstoff wird freigesetzt und der Kreislauf beginnt von neuem.
Das wichtigste Kriterium für Leben ist Wasser. Wie der Kohlenstoffkreislauf ist der Wasserkreislauf der Prozess, Wasser zwischen Lebewesen, der Erde und der Atmosphäre zu bewegen. Wasser verdunstet aus Gewässern auf der Erde, wie Seen, Flüssen und Ozeanen. Der Wasserdampf kondensiert in den Wolken und bildet Niederschlag, der Wasser zur Erde zurückführt. Auf der Erde kehrt ein Teil des Wassers in die Seen und Ozeane zurück, aus denen es stammt, und ein Teil dringt in den Boden ein und bildet Grundwasser. Lebende Organismen, wie Pflanzen und Tiere, verbrauchen Wasser. Das Wasser verdunstet wieder und setzt den Kreislauf fort.
Einige Wissenschaftler argumentieren, dass das Ökosystem zu einem vollständigen Recycling fähig ist. Vollständiges Recycling bedeutet, dass 100 % des Abfallmaterials unbegrenzt rekonstituierbar sind. Andere Wissenschaftler bestreiten diese Idee und behaupten, dass ein vollständiges Recycling von technologischem Abfall nicht möglich ist.
Ökologisches Recycling ist in der ökologischen Landwirtschaft weit verbreitet. Biobetriebe, die Ökosystemrecycling betreiben, unterstützen mehr Arten und haben daher eine andere Nahrungsnetzstruktur. Das Modell der ökologischen Recycling-Landwirtschaft hält sich an die folgenden Prinzipien:
1. Umwandlung von Materie von einer Form in eine andere – Nährstoffkreisläufe ermöglichen die Umwandlung von Materie in verschiedene spezifische Formen, die die Nutzung dieses Elements in verschiedenen Organismen ermöglichen.
2. Transfer von Elementen von einem Ort zum anderen – Nährstoffkreisläufe ermöglichen den Transfer von Elementen von einem Ort zum anderen. Einige Elemente sind hochkonzentriert in Bereichen, die für die meisten lebenden Organismen unzugänglich sind, wie beispielsweise Stickstoff in der Atmosphäre. Durch Nährstoffkreisläufe können diese Elemente an zugänglichere Orte wie den Boden übertragen werden.
3. Funktionieren von Ökosystemen – Nährstoffkreisläufe unterstützen das Funktionieren von Ökosystemen. Das Ökosystem, das den Gleichgewichtszustand benötigt, um richtig zu funktionieren, stellt den Gleichgewichtszustand durch die Nährstoffkreisläufe wieder her.
4. Speicherung von Elementen – Nährstoffkreisläufe erleichtern die Speicherung von Elementen. Elemente, die durch die Nährstoffkreisläufe getragen werden, werden in ihren natürlichen Reservoirs gespeichert und in kleinen Mengen, die verzehrt werden können, an Organismen abgegeben.
5. Organismen, lebend und nicht lebend verbinden – Nährstoffkreisläufe verbinden lebende Organismen mit lebenden Organismen, lebende Organismen mit nicht lebenden Organismen und nicht lebende Organismen mit nicht lebenden Organismen. Dies ist wichtig, da alle Organismen voneinander abhängen und für das Überleben lebender Organismen lebensnotwendig sind. Diese Organismen sind durch den Nährstofffluss verbunden, der durch die Nährstoffkreisläufe konstruiert wird.
6. Stoffflüsse regulieren – Nährstoffkreisläufe regulieren den Stofffluss. Während die Nährstoffkreisläufe verschiedene Sphären durchlaufen, wird der Fluss der Elemente reguliert, da jede Sphäre ein bestimmtes Medium und eine bestimmte Geschwindigkeit hat, bei der der Fluss der Elemente durch die Viskosität und Dichte des Mediums bestimmt wird. Daher fließen die Elemente in den Nährstoffkreisläufen innerhalb des Kreislaufs mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, und dies reguliert den Fluss der Elemente in diesen Zyklen.
