Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoff ist einer der Grundbausteine des organischen Lebens und nach Sauerstoff das am häufigsten auftauchende Element. Alle lebenden Gewebe sind aus Kohlenstoffverbindungen geschaffen, egal ob Pflanzen, Tiere oder Menschen. So hast auch du diese Kohlenstoffverbindungen in deinem Organismus und bist damit auch ein Teil des Kohlenstoffkreislaufes. Ohne diesen Kohlenstoffkreislauf wäre auf der Erde kein Leben möglich.

Kohlenstoffkreislauf an Land

Beim Kohlenstoffkreislauf wird im Grundsatz nur Kohlenstoff für verschiedene Lebewesen gebräuchlich gemacht, sodass diese den Kohlenstoff aufnehmen und weiterverarbeiten können. Der Kohlenstoffkreislauf basiert auf zwei Stoffwechselsysteme:

• die Assimilation
• die Dissimilation

Diese Stoffwechselsysteme werden von Destruenten (Pilze, Bakterien, etc.), Produzenten (Pflanzen) und Konsumenten (Tiere, Menschen) betrieben.

Abbildung 1: Schema der drei verschiedenen Klassen an Lebewesen im Ökosystem

Atmosphäre

Zunächst befindet sich der Kohlenstoff (C) in Form von Kohlenstoffdioxid (${\mathrm{CO}}_2$) in der Luft, also in der Atmosphäre, die uns umgibt. Dieser wird dann von Pflanzen aufgenommen und für die Assimilation (Photosynthese) genutzt. Bei der Assimilation werden von den Pflanzen mithilfe von Wasser und Sonnenenergie aus dem ${\mathrm{CO}}_2$ Kohlenstoffverbindungen, sogenannte Kohlenhydrate, hergestellt. Da diese Pflanzen organische Verbindungen aufbauen, werden sie auch Produzenten genannt.

Kohlenstoffkreislauf: Produzenten und Konsumenten

Produzenten

Die von den Produzenten hergestellten organischen Kohlenstoffverbindungen sind essenziell für alle anderen Lebewesen, weil diese keine Kohlenstoffverbindungen selbst herstellen können, ohne vorher welche aufzunehmen. So gelangen die Kohlenhydrate als Nahrung in die anderen Organismen und werden dort als Energiequelle und als Kohlenstofflieferant genutzt. Als Nebenprodukt entsteht bei der Assimilation Sauerstoff

(${\mathrm{O}}_2$).

Konsumenten

In den Konsumenten, die die Pflanzen als primär oder sekundäre Nahrung aufgenommen haben, findet die Dissimilation (Zellatmung) statt.

Primäre Nahrungsaufnahme ist das direkte Essen der Pflanze, während Konsumenten mit sekundärer Aufnahme nicht die Pflanze direkt, sondern einen anderen Konsumenten, der die Pflanze gefressen hat, frisst. Dabei benutzen sie den erhaltenen Kohlenstoff, um ihren eigenen Stoffwechsel zu versorgen.

Das Nebenprodukt der Produzenten wird von den Konsumenten auch genutzt und der verbrauchte Kohlenstoff wird mithilfe dieses Sauerstoffs als ${\mathrm{CO}}_2$ abgeatmet und somit wieder an die Atmosphäre zurückgegeben.

Verbrennung fossiler Brennstoffe

Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle, Erdgas und Erdöl werden jedoch auch relativ große Mengen Kohlendioxid freigesetzt. Die negativen Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die globale Klimaentwicklung, der sogenannte Treibhauseffekt, sind bereits gut untersucht. Andererseits fördert der höhere Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre auch das Wachstum von Pflanzen und Algen.

Kohlenstoffkreislauf: Pedosphäre

Der Kohlenstoff geht über die abgestorbene Substanz von den Produzenten und Konsumenten in den Boden. Die eingetragenen Kohlenstoffverbindungen werden dann von Bodenorganismen, sogenannten Destruenten (beispielsweise Bakterien und Pilze jeglicher Art) oxidiert. Durch diese Reaktion gewinnen diese ihre nötige Energie, um eigene Stoffwechselvorgänge der Dissimilation in Gang zu halten.

Dieser Vorgang läuft meist aerob, also in Abhängigkeit von Sauerstoffvorkommen ab. Der Sauerstoff befindet sich in der sogenannten Bodenluft, welche die minimalen Zwischenräume in der Erde darstellt. Die Destruenten verbrauchen Kohlenhydrate und Sauerstoff und geben Kohlenstoffdioxid und Wasser an die Umgebung ab.

Wenn die Destruenten die abgestorbene, organische Substanz zersetzt haben, bleiben auch weitere Nährstoffe im Boden, die von Pflanzen wieder aufgenommen werden können. Somit dienen diese Substanzen quasi auch als Düngemittel.

Ein weiterer Teil wird humifiziert. Das heißt, es entsteht neue Erde, die in Fachsprache auch Humus genannt wird.

Da ${\mathrm{CO}}_2$ in der Bodenluft einen höheren Partialdruck aufweist, als in der Atmosphäre, wird dieser einfach von der Bodenfläche wieder an die Atmosphäre abgegeben und dient dort wieder als Kohlenstoffquelle für Photosynthese-betreibende Pflanzen.

Die Bodenatmung

Eine zentrale Rolle bei der Intensität der Bodenatmung spielen beispielsweise die Durchlüftung, Temperatur, Wasserversorgung, Mineralstoffgehalt und auch die Reaktion des Bodens. Diese Faktoren arbeiten alle Hand-in-Hand und dadurch ist auch deren Zusammenwirken sehr wichtig.

Als Hauptquellen der ${\mathrm{CO}}_2$-Assimilation während der Photosynthese gelten die Bodenatmung und die ${\mathrm{CO}}_2$-Freisetzung über die Bodenoberfläche in die Atmosphäre. Ohne den Abbau organischer Substanz im Boden und die daraus resultierende ${\mathrm{CO}}_2$-Freisetzung durch Bodenorganismen würde der ${\mathrm{CO}}_2$-Vorrat der Luft (ca. 0,03 Vol.-%) durch die Aufnahme von photosynthetischen ${\mathrm{CO}}_2$ im Boden innerhalb weniger Jahrzehnte aufgebraucht sein.

Abbildung 2: Schaubild zum Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoffkreislauf im See

Der Kohlenstoffkreislauf in einem See unterscheidet sich gar nicht so gravierend von dem Kohlenstoffkreislauf an Land. Als Produzenten und damit als Kohlenstoffdioxid abbauende Organismen gelten hier Organismen, die zum Phytoplankton gehören, wie zum Beispiel Algen. Diese betreiben, genauso wie die Pflanzen an Land, Photosynthese. Da der gebildete Sauerstoff ein Gas ist, steigt er hoch und sammelt sich hauptsächlich in der obersten Wasserschicht.

Die Konsumenten

Die Konsumenten, die im See von Fischen, Krebsen, Insekten usw. dargestellt werden, verwerten diesen Sauerstoff dann und fressen auch primär oder sekundär das Phytoplankton, um Kohlenhydrate aufzunehmen. Auch diese Organismen können absterben. Sie sinken dann auf den Boden des Sees, wo deren Biomasse mitsamt der Kohlenstoffverbindungen von den Destruenten genommen werden können.

Die Destruenten

Die Destruenten sind, wie an Land, Bakterien und Pilze, die sich im Sediment, also Boden, des Sees befinden. Das gebildete Kohlenstoffdioxid wird freigegeben und wandert als Gas im Wasser zu den Produzenten zurück. Die Destruenten benötigen jedoch auch Sauerstoff, um zu überleben. Dieser wird geliefert mithilfe des Durchmischen der Wasserschichten, welche durch Wind und Wetter vor allem im Frühling und Herbst präsent ist.

Damit schließt sich der Kreislauf des Kohlenstoffs und wird auf diese Art und Weise durchgehend wiederholt.