Der Großteil aller Organismen auf unserem Planeten benötigt Sauerstoff zum Überleben. Tiere, Menschen, Pflanzen, Pilze und Mikroorganismen verbrauchen Sauerstoff in der Zellatmung zum Betrieb ihres Stoffwechsels und produzieren dabei gasförmige Kohlenstoffverbindungen in Form Kohlenstoffdioxid (CO2).
Pflanzen, Algen und einige Mikroorganismen produzieren Sauerstoff über die Fotosynthese und verbrauchen dabei Kohlenstoffdioxid. Kohlenstoff und Sauerstoff sind also durch Lebewesen miteinander verbunden und die stete Umwandlung geschieht innerhalb des Kohlenstoff-Sauerstoff-Kreislaufs bzw. CO2-Kreislauf (Kohlenstoffkreislauf) in jedem Ökosystem.
CO2 Kreislauf Definition
Der Kohlenstoff-Sauerstoff-Kreislauf oder auch Kohlenstoffkreislauf sind in einem jedem Ökosystem stark von der Aktivität der Organismen abhängig. Organismen beschleunigen die natürlichen Umwandlungsraten von Kohlenstoffverbindungen, da sie kontinuierlich Biomasse aufbauen, umbauen und abbauen. Kohlenstoff ist das wichtigste Element für Organismen, da es das Basiselement aller biologischen Moleküle ist.
Der Kohlenstoffkreislauf beschreibt die stetige Umwandlung von Kohlenstoffverbindungen durch Organismen und den Austausch der Verbindungen innerhalb der Sphären des Planeten.
Zu den Sphären des Planeten zählen die:
- Atmosphäre (Luft)
- Lithosphäre (Gestein)
- Hydrosphäre (Gewässer)
- Biosphäre (Organismen)
- Pedosphäre (Boden)
Die Sphären des Planeten im CO2-Kreislauf
Die Biosphäre bezeichnet alle Bereiche und Schichten eines Planeten, in denen Organismen leben.
Zu der Biosphäre des Planeten gehören demnach alle Ökosysteme des Planeten. Wenn man so will, kann auch die gesamte Biosphäre der Erde als ein gigantisches Ökosystem angesehen werden.
Ein Ökosystem besteht immer aus einem Lebensraum (Biotop) sowie allen darin lebenden Organismen, der Biozönose.
Die Biosphäre ist mit ihren Organismen mit allen anderen Sphären verzweigt, da Organismen in allen anderen Sphären des Planeten vorkommen. Das ist auch der Grund, warum Kohlenstoffverbindungen zwischen den Sphären ausgetauscht werden können.
Eine Pflanze (z. B. Gras) nimmt gasförmigen Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre auf und assimiliert es über die Fotosynthese in Glucose. Der Kohlenstoff ist nun in der Biosphäre in der organischen Substanz (Biomasse) der Pflanze gebunden. Mithilfe der Glucose baut die Pflanze andere Körpersubstanzen auf. Kurz gesagt, die Pflanze wächst. Ein Pflanzenfresser (z. B. eine Kuh) frisst die Pflanze, baut dabei die pflanzliche Biomasse ab und wandelt sie in eigene Biomasse um.
Nun gibt es mehrere Möglichkeiten, wo der Kohlenstoff aus dem CO2 landen kann:
- Er kann weiter innerhalb der Biosphäre in der Biomasse der Kuh in einem Protein, Kohlenhydrat oder Fett gespeichert vorliegen.
- Kohlenstoffverbindungen der Biomasse können durch Abbauprozesse des Stoffwechsels (Zellatmung) gasförmig als Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre abgegeben werden.
- Der Kohlenstoff kann in Form von Urin oder Kot ausgeschieden und von Destruenten weiter abgebaut werden. Hierbei sind die vielen biologischen Abbauprozesse von toter pflanzlicher oder tierischer Biomasse ein wichtiger Beitrag zur Bodenbildung. Der Kohlenstoff aus dem CO2 kann also über Abbauprozesse im Boden der Pedosphäre eingebaut werden.
Unter Assimilation versteht man die Umwandlung körperfremder Stoffe in körpereigene Stoffe.
Der Großteil der Stoffumwandlungen im Kohlenstoffkreislauf geschieht also durch Organismen. Es gibt auch rein chemische Umwandlungen von Kohlenstoffverbindungen (z. B. im Gesteinskreislauf), diese sind aber weitaus langsamer als biologische Stoffumwandlungen.
Die Organismen in der Biosphäre werden allgemein in drei Ernährungsebenen eingeteilt:
- Produzenten
- Konsumenten
- Destruenten
Produzenten
Produzenten assimilieren Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre in eigener Biomasse und produzieren dabei Sauerstoff. Die charakteristische biochemische Reaktion dafür ist die Fotosynthese. Zu den Produzenten gehören Pflanzen, Algen und einige Mikroorganismen.
Konsumenten
Konsumenten fressen fremde Biomasse, bauen sie danach in eigene Biomasse um und scheiden organische Abfallstoffe als Kohlenstoffdioxid, Kot und Urin aus. Dabei verbrauchen sie Sauerstoff.
Typische Konsumenten sind pflanzenfressende oder fleischfressende Tiere. Zwei typische Vertreter für Konsumenten sind die Maus und der Fuchs.
Destruenten
Destruenten bauen organische Abfallstoffe wie tote Pflanzen, tote Tiere, Kot und Urin ab. Sie verbrauchen Sauerstoff und bilden Kohlenstoffdioxid und Nährmineralien, die wiederum Produzenten für den Aufbau von Biomasse zur Verfügung stehen.
Typische Destruenten sind Insekten, Würmer, Schnecken, Mikroorganismen und Pilze.
CO2 Kreislauf einfach erklärt
Organismen benötigen Energie, um ihren Stoffwechsel zu betreiben. Dazu produzieren Produzenten aus Wasser, Sonnenlicht und Kohlenstoffdioxid den Einfachzucker Glucose (C6H12O6), wobei Sauerstoff als Nebenprodukt entsteht. Pflanzen bauen einen Teil der Glucose sofort wieder zur Energiegewinnung in der Zellatmung ab.
Dabei entsteht erneut Kohlenstoffdioxid, das in die Atmosphäre abgegeben wird. Erhalten Pflanzen genug Licht, Wasser und Kohlenstoffdioxid, bilden sie durch Fotosynthese mehr Glucose, als sie durch die Zellatmung abbauen.
Aus Glucose und Nährmineralien bauen Produzenten kohlenstoffhaltige Biomasse auf, die von Konsumenten gefressen und umgebaut wird. Dabei wird wieder ein Teil des Kohlenstoffs als Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Konsumenten scheiden kohlenstoffhaltigen Urin und Kot aus, der von den Destruenten abgebaut wird. Neben den Ausscheidungen der Konsumenten werden auch tote Konsumenten, Produzenten und Destruenten von den Destruenten abgebaut.
Die Destruenten und ihre Abbauprozesse führen zur Bildung von Humus, der zusammen mit der Einwirkung von Niederschlag, Grundwasser, Temperatur und geochemischen Ausgangsmaterial zur Bodenbildung in der Pedosphäre beiträgt.
Als Humus wird durch Destruenten zersetzte organische Bodensubstanz bezeichnet, die sehr nährstoffreich und damit gut für das Pflanzenwachstum ist.
Im Kohlenstoffkreislauf wird beim Abbau der Biomasse Sauerstoff benötigt und es entstehen wieder Kohlenstoffdioxid und Nährmineralien, sodass den Produzenten erneut die Ausgangsstoffe für die Fotosynthese und den Aufbau von Biomasse zur Verfügung stehen.
Einen groben Überblick über den Kohlenstoffkreislauf findest Du in der unten stehenden Abbildung. Konsumenten, Destruenten und die fossilen Energieträger produzieren über die Zellatmung oder die Verbrennung durch den Menschen Kohlenstoffdioxid. Lediglich die Produzenten stellen Sauerstoff während der Fotosynthese her.
Abbildung 1: Ein vereinfachtes Schema zum Zusammenhang zwischen Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid.
Fällt in einem Ökosystem viel organisches Abfallmaterial an, kann es zur Ausbildung von sehr stark kohlenstoffhaltigen Bodenschichten kommen. Über geologische Zeiträume (Millionen von Jahren) haben solche stark kohlenstoffhaltigen Ablagerungen zur Ausbildung von fossilen Energieträgern geführt.
Wir verdanken den Großteil unserer Energie also der Fotosynthese von vor Millionen von Jahren, z. B. aus den stark produktiven Ökosystemen der Jura- und Kreidezeit. Durch die Einwirkungen von Druck, Zeit und Temperatur wurde also aus kohlenstoffhaltigen Abfallstoffen Kohle, Erdgas und Erdöl.
Neben Organismen nimmt mittlerweile auch der Mensch einen starken Einfluss auf den Kohlenstoffkreislauf. Durch das Verbrennen von fossilen Energieträgern wird Kohlenstoff aus der Pedosphäre und der Lithosphäre in die Atmosphäre eingebracht. Das stört das Gleichgewicht zwischen dem Austreten von Kohlenstoff (Bildung von Boden, Gestein und fossilen Energieträgern) und dem Eintreten von Kohlenstoff (Vulkanismus, Verwitterung) in den Kohlenstoffkreislauf.
CO2-Kreislauf Schema
Ein allgemeines Schema für den globalen Kohlenstoffkreislauf und den Austausch von Kohlenstoffverbindungen zwischen den Sphären findest Du in der unten stehenden Abbildung. Die Bildung von Kalkgestein geschieht wie die Bildung von fossilen Energieträgern über geologische Zeiträume von Millionen von Jahren. Besonders in den Bereichen früherer Ozeane lassen sich viele versteinerte kalkhaltigen Schalen (CaCO3) von Organismen der früheren Zeitalter der Erdgeschichte finden.
In fossilen Energieträgern oder Gesteinen gebundener Kohlenstoff kann ohne die Freisetzung durch den Menschen nicht mehr am Kohlenstoffkreislauf teilnehmen!
Im Gestein gebundener Kohlenstoff wird über Vulkanismus letztlich wieder als Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre abgegeben. Ausgeworfenes geschmolzene Gestein kühlt ab und wird mit der Zeit als Teil der Pedosphäre von Produzenten besiedelt. Es unterliegt den Einflüssen von Wind, Temperatur und Wasser.
Die Einwirkung der Elemente führt zu einer Verwitterung des Gesteins, wobei kohlenstoffhaltige Verbindungen wie Kalk aus dem Gestein ausgewaschen werden. Sie gelangen im Anschluss über Flüsse oder das Grundwasser in Gewässer (Seen und Meere). In Gewässern der Hydrosphäre liegt Kohlenstoff im Kalk-Kohlensäure-System vor. Dieses anorganische Kohlenstoffsystem ist der Grund, warum der pH-Wert in den meisten Gewässern auf unserem Planeten konstant bleibt.
Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht in Gewässern der Hydrosphäre
Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht basiert auf in Wasser gelöstem Kohlenstoffdioxid. Es hält den pH-Wert in unseren Gewässern konstant und ermöglicht damit konstante Lebensbedingungen für Organismen wie Wasserpflanzen, Krebse, Muscheln und Fische.
Kohlenstoffdioxid reagiert mit Wasser zu Kohlensäure (H2CO3), die allerdings in Wasser weiter in Hydrogencarbonat (HCO3-) und ein Proton (Wasserstoff-Ion, H+) zerfällt. Hydrogencarbonat ist dabei für die meisten Wasserpflanzen die primäre Kohlenstoff(dioxid)quelle für die Fotosynthese.
Diesen automatischen Zerfall einer Substanz in kleinere Atome oder Moleküle nennt man Dissoziation. Hydrogencarbonat steht weiterhin in einem chemischen Gleichgewicht mit Carbonat (CO32-) und einem Proton.
Carbonat kann nun im Gewässer mit positiv geladenen Ionen weitere Verbindungen eingehen, von denen sich manche am Gewässergrund ablagern (z. B. Kalk CaCO3). Damit wird dem Gewässer Carbonat entnommen, das Protonen binden kann und der pH-Wert sinkt. Sinkt der pH-Wert durch z. B. sauren Regen weiter, löst sich abgelagerter Kalk zurück in Ca2+ und CO32- auf. CO32- fängt freie Säure-Protonen ab und es wird vermehrt Hydrogencarbonat (HCO3-) gebildet, was von den Produzenten aufgenommen werden kann.
Kommt es zu einem weiteren Überschuss durch Hydrogencarbonat, bildet sich erneut Kohlensäure, die zu Kohlenstoffdioxid und H2O reagieren kann. Somit sind die überschüssigen Protonen des sauren Regens zu Wasser geworden und das System ist wieder stabil.
Aus dem Kalk-Kohlensäure-System lagert sich der Kohlenstoff als Kalk am Gewässerboden ab oder wird wieder Teil der Nahrungskette, indem er von Wasserpflanzen oder Phytoplankton assimiliert wird. Am Ende der Nahrungskette fällt die kohlenstoffhaltige Substanz zum Gewässerboden und wird dort vollständig oder unvollständig abgebaut.
Ein unvollständiger Abbau führt zu der Bildung von kohlenstoffhaltigen Sedimenten und über die Zeit zu der Verlandung des Gewässers. Der Kohlenstoff ist im Sediment Teil des Gewässerbodens und nimmt nicht mehr an den biologischen Kreisläufen teil. Durch Zeit und Druck der sich weiter ablagernden oberen Schichten verdichtet sich das Sediment über Tausende bis Millionen von Jahren zu Gestein.
Abbildung 2: Schematische Darstellung des globalen Kohlenstoffkreislaufs innerhalb der Sphären des Planeten.
Kohlenstoffkreislauf in verschiedenen Ökosystemen
Der Kohlenstoffkreislauf bzw. Kohlenstoff-Sauerstoff-Kreislauf läuft in seinen Grundzügen in allen Ökosystemen gleich ab. Die Grundlage bilden die Organismen der Ernährungsgruppen der Nahrungsketten aus Produzenten, Konsumenten und Destruenten. Eine gesonderte Stellung haben Gewässer inne, da hier das Kalk-Kohlensäure-System vorhanden ist.
CO2 Kreislauf im See
Der Kohlenstoffkreislauf im See ist in zwei Bereiche aufgeteilt. Einen anorganischen Teil in Form des Kalk-Kohlensäure-Systems und einen organischen Teil in Form der Organismen im Ökosystem. Beide Teile sind durch das Gas Kohlenstoffdioxid und gelöstes Hydrogencarbonat (HCO3-) miteinander verknüpft. Neben der Produktion von Kohlenstoffdioxid durch die Organismen ist ebenfalls die Konzentration von Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre ausschlaggebend für die Kohlenstoffdioxid-Konzentration im Wasser.
Die Versauerung von Gewässern
Das Kalk-Kohlensäure-System ist der natürliche Säureschutz für unsere Gewässer. Allerdings ist auch dieses System nicht unfehlbar. Durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern reichert der Mensch Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre an. Dieses Kohlenstoffdioxid löst sich sehr gut im Wasser der Ozeane, von denen die Erde zu ca. 70 % bedeckt ist.
Während Protonen von Säuren von dem System abgefangen werden können, ist zusätzliches Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre ein Problem. Große Mengen an gelöstem Kohlenstoffdioxid führen in der Reaktion mit Wasser zur vermehrten Bildung von Kohlensäure, die den pH-Wert der Meere senkt.
Bereits eine Verringerung des pH-Wertes von 0,1 bedeutet eine Zunahme der Versauerung um 30 %! Das hat große Konsequenzen für alle Wasserorganismen, besonders für Korallen und Schalentiere (z. B. Muscheln). Sie können ihr Kalkskelett bzw. ihre Schale bei niedrigeren pH-Werten weitaus schlechter ausbilden.
Die Zunahme der Temperatur und die Versauerung der Meere sind maßgeblich an dem Korallensterben in den Weltmeeren verantwortlich.
Abbildung 3: Schematische Darstellung des Kohlenstoffkreislaufs in einem See.
CO2 Kreislauf im Wald
Im Wald läuft der Kohlenstoffkreislauf im Prinzip ähnlich ab wie im Ökosystem See. Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre wird von den Pflanzen des Waldes (z. B. Bäume & Büsche) assimiliert. Der Kohlenstoff durchläuft die Nahrungskette, wenn er nicht vorher als Stoffwechselendprodukt Kohlenstoffdioxid abgegeben wird. Im Anschluss wird der Kohlenstoff aus der Biomasse Teil des Bodens und über geologische Zeiträume Teil des Gesteins.
In der unten stehenden Abbildung siehst Du eine schematische Zusammenfassung des Kohlenstoffkreislaufs im Ökosystem Wald mit einer beispielhaften Nahrungskette.
Im StudySmarter-Artikel zum Ökosystem Wald findest Du viele weitere spannende Aspekte zu den Entwicklungsstadien, dem Energiefluss, den Stockwerken und den Vegetationszonen eines Waldes.
Abbildung 4: Schematische Darstellung des Kohlenstoffkreislaufs im Ökosystem Wald.
CO2-Kreislauf – Das Wichtigste
- Kohlenstoff und Sauerstoff sind durch die Aktivität von Organismen miteinander verbunden.
- Der Kohlenstoffkreislauf findet in jedem Ökosystem statt und wird von Organismen angetrieben. Durch Organismen können Kohlenstoffverbindungen zwischen den Sphären der Erde ausgetauscht werden.
- Kohlenstoffdioxid wird von Produzenten zur Fotosynthese aufgenommen, wobei Sauerstoff produziert wird. Konsumenten und Destruenten verbrauchen Sauerstoff und produzieren durch die Zellatmung Kohlenstoffdioxid.
- Abgestorbenes kohlenstoffhaltiges Material wird über geologische Zeiträume aus dem Kohlenstoffkreislauf entfernt und wird durch Druck und Zeit zu fossilen Energieträgern und Teil von Gesteinen umgewandelt.
- Der Mensch beeinflusst den Kohlenstoffkreislauf durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern. Durch die Anreicherung von Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre wird der Klimawandel beschleunigt.
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