Die Umwelt ist ein komplexes Netzwerk von Beziehungen und Kreisläufen, in dem alle Ressourcen zirkulieren und so effizient genutzt werden. Verschiedenste Stoff- und Energieflüsse zirkulieren durch die Umwelt und die Atmosphäre und liefern Ressourcen sowie Energie für Organismen und ermöglichen die Existenz von Leben auf dem Planeten.
Von der Luft, die wir atmen bis zu den Lebensmitteln, die wir essen, ist die Umwelt ein sich ständig veränderndes Netz von Stoffen und Energien, die die verschiedenen Systeme durchlaufen.

Definition eines Stoffkreislaufes

Ein Stoffkreislauf ist in der Ökologie ein zirkulierendes System aus meist chemischen Verbindungen, die sich durch ein Ökosystem bewegen, von Organismen aufgenommen, verarbeitet und in veränderter Form wieder ausgeschieden werden. So bewegen sich Energien und Materien ständig zwischen der Umwelt und den lebenden Organismen und befinden sich in einem dauerhaften Austausch- und Veränderungsprozess.

Stoffkreisläufe sind also vereinfacht gesagt für den Austausch von Nährstoffen, Wasser und Energien auf der Erde in allen Ökosystemen verantwortlich.

Die ausgeglichenen Stoff- und Energiekreisläufe stellen die Grundlage für das Funktionieren eines jeden Ökosystems und das Gleichgewicht der darin enthaltenen Strukturen dar.

Ökologie Stoffkreislauf
Stoffkreisläufe sind also vereinfacht gesagt für den Austausch von Nährstoffen, Wasser und Energien auf der Erde in allen Ökosystemen verantwortlich | Fotos: © malp #457332892 – stock.adobe.com

Der globale Kohlenstoffkreislauf

Der globale Kohlenstoffkreislauf ist ein wichtiger Teil der Stoffkreisläufe in der Umwelt, da er eine große Rolle im Klimasystem spielt. Kohlenstoff gehört zu den grundlegendsten Elementen der Erdatmosphäre und zirkuliert stetig zwischen dieser, den Ozeanen, der Landoberfläche und natürlich den Organismen. Der Austausch von Kohlenstoff zwischen den Organismen erfolgt dabei über Prozesse wie Fotosynthese, Atmung und Zersetzung, die alle Teil des globalen Kohlenstoffkreislaufes sind.

Der Austausch des in der Atmosphäre vorhandenen Kohlenstoffdioxids mit der Landoberfläche und den Ozeanen geschieht relativ schnell. In aller Regel sind Ozeane und die Ökosysteme an Land dafür verantwortlich, durch ihre Aktivitäten den Kohlenstoffgehalt in der Atmosphäre zu senken. Die Ökosysteme an Land nehmen ungefähr dreimal so viel Kohlenstoffdioxid, die Ozeane ca. 50-mal so viel auf wie die Atmosphäre.

Wie in nahezu allen Bereichen der natürlichen Ökologie auch, war auch der Kohlenstoffkreislauf und das Verhältnis zwischen dem Gehalt an Land, in den Ozeanen und der Atmosphäre in den letzten 10.000 Jahren bis zum Einsetzen der anthropogenen Industrialisierung weitgehend ausgeglichen. Als im Jahr 1750 in England die industrielle Revolution begann, störte der Mensch mit seinem Handeln und Denken den globalen CO₂-Haushalt maßgeblich durch die Verbrennung fossiler Energieträger wie beispielsweise Kohle, Erdöl und Erdgas und die damit verbundene massive Freisetzung klimaschädlicher Treibhausgase. Des Weiteren begann der Mensch mit einer zuvor nie dagewesenen, umfassenden Veränderung der natürlichen Landoberfläche, insbesondere durch die Entwaldung und die Begradigung der Flüsse. Dies führte dazu, dass in großen Teilen der Regionen Feuchtbiotope und Auenlandschaften an den vorher dagewesenen Flussauen verschwanden. Speziell diese stellten aber wichtige Funktionen im globalen Kohlenstoffkreislauf und in der Artenvielfalt an lebenden Organismen dar.

Durch die massive Entwaldung werden zudem etliche Tonnen Kohlenstoffdioxid zusätzlich in die Atmosphäre abgegeben, welche vorher in den Pflanzen gespeichert waren.

Durch die massive Reduktion der Landvegetation nahm der Mensch der Umwelt einen großen Teil an Speicher- und Umwandlungskapazität für Kohlenstoff und kippte damit langfristig das Gleichgewicht des globalen Kohlenstoffaustausches.

Von allen seit 1850 emittierten Emissionen verblieben somit knapp die Hälfte davon in der Atmosphäre, schädigen diese somit nachhaltig und sorgen für eine kontinuierliche Verstärkung des natürlichen Treibhauseffektes, welcher wiederum zur Erderwärmung und zum Klimawandel führt.

Der Stickstoffkreislauf

Stickstoff ist das am häufigsten vorkommende Element der Atmosphäre und für das Existieren von Pflanzen, Tieren und Menschen unerlässlich. In der Atmosphäre liegt Stickstoff in gasförmiger Form vor und kann so von Pflanzen und anderen Lebewesen nicht direkt genutzt werden.

Durch Stickstofffixierende Bakterien, welche im Boden oder auch im Wasser vorkommen, werden die gasförmigen Stickstoffatome aus der Luft in Ammonium und Ammoniak verwandelt und können so von Pflanzen aufgenommen werden. Eine Umwandlung von Stickstoff in Nitrit oder Nitrat passiert durch abiotische Vorgänge mit großer energetischer Wirkung, wie beispielsweise einem Blitzschlag oder dem Ausbruch eines Vulkanes.
Auch in dieser Form ist Stickstoff nun für Pflanzen aufnehmbar, welche ihn dann wiederum in Formen umwandeln, die von Tieren genutzt werden können. Durch deren Atmung und Zersetzung wird er dann wieder in die Atmosphäre zurückgegeben. Der Kreislauf hat eine enorme Bedeutung für das Leben auf der Erde, die Nahrungsmittelproduktion und das globale Klima.

Stickstoffkreislauf - Infografik
Stickstoff ist das am häufigsten vorkommende Element der Atmosphäre und für das Existieren von Pflanzen, Tieren und Menschen unerlässlich | Fotos: © VectorMine #336425664 – stock.adobe.com

Der Wasserkreislauf

Der Wasserkreislauf ist ein wesentlicher Bestandteil des Klimasystems der Erde und mitverantwortlich für das Existieren von Leben auf unserem Planeten. Der Wasserkreislauf wird in erster Linie durch die Energie der Sonne angetrieben und ist von Grund auf ein selbstregulierendes System, welches keine äußeren Einflüsse benötigt. Der Wasserkreislauf beginnt mit der Verdunstung, d.h. die Sonnenenergie bewirkt, dass flüssiges Wasser aus Ozeanen, Flüssen etc. als Wasserdampf in die Luft verdunstet. Dieser Wasserdampf kondensiert dann und bildet Wolken aus. Wenn diese sich über die Erde bewegen, kommt es zu Niederschlägen und das Wasser wird in Form von Regen, Schnee oder Hagel wieder auf die Erdoberfläche zurückgegeben.
Hier wird es dann vom Boden aufgenommen und kann von Tieren und Pflanzen genutzt werden. Als Grundwasser wird es im Boden gespeichert und dient der menschlichen Versorgung mit Wasser.

Von der Landvegetation sowie von Gewässern aus verdunstet das Wasser schließlich wieder in die Atmosphäre und der Kreislauf beginnt von vorne.

Interessanterweise ist unsere Erdoberfläche zu knapp zwei Dritteln mit Wasser bedeckt, wovon allerdings nur ca. 2,5 % überhaupt als Süßwasser für den Menschen und die Tierwelten nutzbar sind. Die restlichen Wasservorkommen sind Salzwasser der Meere und Ozeane. Die gesamten Wasservorräte der Erde umfassen sage und schreibe etwa 1,4 Milliarden Kubikkilometer.
Wenn man bedenkt, dass ein Kubikkilometer Wasser umgerechnet 1 Billion Liter Wasser sind, ist das schon eine unvorstellbare Menge. Diese riesigen Wassermassen sind auch der Grund, warum unser Planet uns vom Weltall aus in einem kräftigen Blau entgegen leuchtet.

Der menschliche Einfluss auf die Stoffkreisläufe der Erde

Menschliche Aktivitäten haben einen erheblichen Einfluss auf die Stoffkreisläufe in der Umwelt. So führt beispielsweise die Verbrennung fossiler Brennstoffe zu einem Anstieg des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre und damit zu einer Verstärkung des Treibhauseffekts.
Dies wiederum kann zu einem Temperaturanstieg führen, der den globalen Wasserkreislauf stören kann, indem er Dürren und andere extreme Wetterereignisse verursacht.

Darüber hinaus haben industrielle Prozesse und die Verbrennung fossiler Brennstoffe zu einer erhöhten Freisetzung von Stickstoff und Schwefel in die Atmosphäre geführt, was den Säuregehalt der Umwelt erhöht und zur Zerstörung der Lebensräume im Meer beiträgt.


Autorin: Carina Pfeil