Über das Ausmass der biologischen Bindung des elementaren Stickstoffs [Reprint 2021 ed.] 9783112498484, 9783112498477

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B E R I C H T E Ü B E R DIE V E R H A N D L U N G E N DER SÄCHSISCHEN A K A D E M I E D E R W I S S E N S C H A F T E N ZU L E I P Z I G Mathematisch-naturwissensch Band

KARL

af tliche 104

• Heft

Klasse

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SCHMALFUSS

ÜBER DAS AUSMASS DER BIOLOGISCHEN BINDUNG DES ELEMENTAREN STICKSTOFFS DER EINFLUSS ASSIMILIERBARER

STICKSTOFFVERBINDUNGEN

A K A D E M I E - V E R ! AG 19 6 0

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BERLIN

BERICHTE ÜBER D I E VERHANDLUNGEN DER SÄCHSISCHEN AKADEMIE DER WISSENSCHAFTEN ZU LEIPZIG MATHEMATISCH-NATURWISSENSCHAFTLICHE

KLASSE

Band 97 H e f t 1 Prof. Dr. E R I C H STRACK / Beobachtungen über den endogenen Anteildes Kot-Stickstoffs 24 Seiten - 8° - 1949 - DM 2,50 (vergriffen) Heft 2 Prof. Dr. E R N S T H Ö L D E R / über die Variationsprinzipe der Mechanik der Kontinua 13 Seiten - 8» - 1950 - DM 2,75 (vergriffen) Heft 3 Dr. H . G E R S T N E R / Dr. H. BAARK / Dr. H . GRAUL / Der Wechselstromwiderstand der Froschhaut 25 Seiten - 8" - 1950 - DM 2,75 (vergriffen) Heft 4 Prof. Dr. H E R B E R T B E C K E R T / Existenz- und Eindeutigkeitsbeweise f ü r das Differenzenverfahren zur Lö9ung des Anfangswertproblems, des gemischten Anfangs-Rand* wert- und des charakteristischen Problems einer hyperbolischen Differentialgleichung zweiter Ordnung mit zwei unabhängigen Variablen 42 Seiten - 8» - 1950 - DM 9 , - (vergriffen) Heft 5 Prof. Dr. H E R B E R T B E C K E R T / Über quasilineare hyperbolische Systeme partieller Differentialgleichungen erster Ordnung mit zwei unabhängigen Variablen. Das Anfangswertproblem, die gemischte Anfangs-Randwertaufgabe, das charakteristische Problem 68 Seiten - 8° - 1950 - DM 14,50 (vergriffen) Heft 6 Prof. Dr.-Ing. ENNO H E I D E B R O E K / Das Verhalten von zähen Flüssigkeiten, insbesondere Schmierflüssigkeiten, in engen Spalten Nachdruck - 40 Seiten - 24 Abbildungen - 8" - 1952 - DM 5,80 (vergriffen) Heft 7 Prof. Dr. HANS S C H U B E R T / Über eine lineare Integrodifferentialgleichung mit Zusatzkern 52 Seiten - 8 ° - 1950 - D M 9,25 (vergriffen) Heft 8 Dipl. Phys. HELMAR K R U P P / Bestimmung der allgemeinen Lösung der SchrödingerGleichung f ü r Coulomb-Potential 28 Seiten - 8° - 1950 - DM 5,50 (vergriffen)

Band 98 H e f t 1 Prof. Dr. W A L T E R SCHNEE / Über magische Quadrate und lineare Gitterpunktprobleme 48 Seiten - 8" - 1951 - DM 4,65 (vergriffen) Heft 2 Prof. Dr.-Ing. ENNO H E I D E B R O E K / Über die Beziehungen zwischen Schmierung und Verschleiß bei geschmierter Gleitreibung Nachdruck - 36 Seiten - 5 Abbildungen - 8° - 1954 - DM 2,75 Heft 3 Prof. Dr.-Ing. e. h. K A R L K E G E L / Der Salzstock Mirowo bei Provadia (n Bulgarien 26 Seiten - 9 Abbildungen- 8 V - 1951 - DM 3 , - (vergriffen) Heft 4 Prof. Dr. H E R B E R T B E C K E R T / Prof. Dr. H A N S SALUS / Bemerkungen über die Verbiegung hyperbolisch gekrümmter Flächenstucke / Über Abels Verallgemeinerung der binomischen Formel 22 Seiten - 2 Abbildungen - 8» - 1951 - DM 2,25 Heft 5 Prof. Dr. E R I C H

(vergriffen)

STRACK / Die Dauerinfusion als Verfahren zur Erforschung de«

Kohlenhydratstoffwechsels des TierkSrpers

20 Seiten - 8» - 1952 - DM 2 , -

(vergriffen)

BERICHTE ÜBER DIE VERHANDLUNGEN DER SÄCHSISCHEN A K A D E M I E D E R WISSENSCHAFTEN ZU L E I P Z I G Mathematisch-naturwissensch Band

KARL

af tliche 104

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Klasse

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SCHMALFUSS

ÜBER DAS AUSMASS DER BIOLOGISCHEN BINDUNG DES ELEMENTAREN STICKSTOFFS DER EINFLUSS ASSIMILIERBARER

STICKSTOFFVERBINDUNGEN

Mit 2 Abbildungen und 6 Tabellen

AKADE MI E-VERLAG 19 6 0

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BERLIN

Vorgetragen in der Sitzung vom 15. Februar 1960 Manuskript eingeliefert am 18. Februar 1960 Druckreif erklärt am 1. Juni 1960

Erschienen im A k a d e m i e - V e r l a g G m b H , Berlin W 1, Leipziger Straße 3-4 Alle R e c h t e v o r b e h a l t e n Copyright 1960 by Akademie-Verlag, G m b H , Berlin Lizenz-Nr. 202 • 100/735/60 Satz u n d D r u c k : IV/2/14 • V E B W e r k d r u c k Gräfenhainichen • 1365 B e s t e l l n u m m e r : 2027/104/1 Preis: DM1,35 P r i n t e d in G e r m a n y E S 22 D

Die deutsche Landwirtschaft verbrauchte u m 1890 jährlich an Düngerstickstoff etwa 1,5 kg/ha. I m J a h r e 1913 war die je ha angewandte Stickstoffmenge auf 5,3 kg N angestiegen. 1925/26 betrug sie 11,7 kg u n d h a t t e im J a h r e 1939 die Menge von 22,2 kg N / h a erreicht. I m letzten J a h r z e h n t ist der jährliche Verbrauch a n Düngerstickstoff bis auf mehr als 30 kg/ha angestiegen u n d zeigt heute eine Tendenz zu einem steilen Anstieg des Verbrauches und damit auch der Produktion a n N-Düngern. Es gibt aber auch Länder, wie Holland, deren Stickstoffverbrauch je ha landwirtschaftlicher Nutzfläche bereits bei 70 kg N liegt oder diesen Wert schon überschritten hat. Hingegen wird in anderen Ländern der Erde auch noch wesentlich weniger verbraucht, etwa in ähnlicher Größenordnung wie im Deutschland der J a h r h u n d e r t w e n d e . Aus Abbildung 1 1 ) ist abzulesen, daß sich Welterzeugung und Weltverbrauch a n Düngerstickstoff seit 1947/48 bis 1956/57 wiederum mehr als verdoppelt haben. Unseren Düngerplänen f ü r die kommenden J a h r e liegen bereits 50—60 kg N/ha zugrunde, wobei manche Vorstellungen auch noch weit über diese Zahlen hinausgehen. Der Gebrauch mineralischer Düngemittel, insbesondere der synthetischen Stickstoffdünger, h a t es ermöglicht, daß sich seit dem Einsetzen der mineralischen Düngung in Europa und der ständigen Steigerung derselben vom Beginn des vorigen J a h r h u n d e r t s bis heute die E r n t e n in Deutschland je Flächeneinheit etwa verdreifacht haben. Diese Tatsachen treten meistens hinter den augenfälligeren Erscheinungen unserer Zivilisation, wie etwä der Technik aller Gebiete, leicht etwas in den Hintergrund. Sie bedeuten aber eine grundlegende Umstellung der Landwirtschaft in unserem Jahrhundert, insbesondere der pflanz*) E n t n o m m e n aus: K. Schmalfuß: Die geoohemische B e d e u t u n g des Stickstoffs . . . Handbuch der Pflanzenphysiologie VIII, 1128—1146. Verlag Springer Berlin-Göttingen-Heidelberg 1958.

K a r l Schmalfuss

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Biologische Bindung des elementaren Stickstoffs

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liehen P r o d u k t i o n . Sie werden sich aber mit den J a h r e n nicht m i n d e r tiefgreifend in unserer Bodenwirtschaft auswirken, w e n n a u c h d a die weitere E n t w i c k l u n g u n d die R i c h t u n g einer solchen noch gar n i c h t abzusehen sind. Legen wir im großen D u r c h s c h n i t t f ü r unsere pflanzlichen K u l t u r e n eine f ü r die nächste Zeit mögliche jährliche S t i c k s t o f f e n t n a h m e aus dem Boden u n d der D ü n g u n g von etwa 100 kg N / h a u n d J a h r zugrunde, so bleibt i m m e r noch eine Lücke zwischen der h e u t e gebotenen Nährstoffgabe u n d d e m Bedarf des betreffenden Pflanzenbestandes a n d e m fraglichen Nährstoff. Sie k a n n zwar d u r c h n a t ü r liche organische D ü n g e m i t t e l zum Teil, aber nicht völlig geschlossen werden. Dies sei vorausgeschickt, u m das hier zu b e h a n d e l n d e T h e m a klarzulegen. U n d hier liegt auch der Ausgangspunkt f ü r die folgenden U n t e r s u c h u n g e n über die Größe der B i n d u n g atmosphärischen elem e n t a r e n Stickstoffs der L u f t d u r c h Mikroorganismen, die sogenannte biologische Stickstoffbindung. Sie wird einmal von gewissen, frei im Boden lebenden B a k t e r i e n (Azotobacter) u n d von anderen Bakterien, die in Symbiose m i t Leguminosen in deren Wurzeln leben (Rhizobium), vollzogen. Ü b e r diesen Gegenstand liegt eine große L i t e r a t u r vor, die bis auf d e n heutigen T a g keine endgültige u n d abschließende Klarheit gibt, a u c h noch n i c h t über das eigentliche Wesen u n d den Mechanismus des Vorgangs der Ü b e r f ü h r u n g elementaren Stickstoffs in Stickstoffverbindungen (vgl. [1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 11, 12]). Wir h a b e n deshalb in A n b e t r a c h t des sich m i t großer Vehemenz entwickelnden Problems der Stickstoffernährung unserer K u l t u r pflanzen in den letzten J a h r e n u n d in A n b e t r a c h t von o f t höchst unklaren Vorstellungen über diesen Gegenstand versucht, der biologischen Stickstoffbindung experimentell n ä h e r z u k o m m e n [3, 10]. Insbesondere versuchten wir, die Größenordnung u n d das A u s m a ß dieser Stickstoffbindung bei Anwesenheit gewisser Mengen von A m m o n i a k u n d N i t r a t , wie sie im Boden regelmäßig v o r k o m m e n , a n n ä h e r n d zu umgrenzen. Wir gingen d a b e i von folgenden Überlegungen aus. D a beide gen a n n t e n B a k t e r i e n f o r m e n h e t e r o t r o p h sind, k ö n n e n sie n u r von

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geeigneten assimilierbaren Kohlenhydraten oder ähnlichen Stoffen leben, sich vermehren und dabei Stickstoff binden, das heißt, diesen in N-haltige organische Stoffe, wie die Proteine, überführen. Man weiß heute, daß Azotobacter etwa 15—20 mg N/1 g Energiequelle, z. B. Glukose und andere Monosaccharide oder Mannit, maximal binden kann, wenn er in Reinkultur gezogen und andere Nahrungskonkurrenten ausgeschlossen werden. Da aber solche für das Bakterium leicht assimilierbare Stoffe im Boden kaum oder höchstens in Spuren vorkommen, Zellulose oder andere pflanzliche Gerüststoffe, die in nennenswerten Mengen anfallen, durch Azotobacter unverwertbar sind, ist eine solche Frage nach dem Stand der Dinge in dieser Hinsicht bedeutungslos. Als indirekter Beweis hierfür sei das graphisch dargestellte Ergebnis eines früheren Umsetzungsversuches angegeben (Abb. 2). Die Abbildung zeigt klar, daß nach 48 Wochen Dauer in keinem Fall eine Zunahme an gebundenem N im Boden eingetreten ist. Wohl aber erfolgte auf den Zusatz von jungem Weizenstroh sowie von Pferdebohnenstroh in beiden Fällen eine starke Nitrifikation des aus dem Umsatz dieser Strohproben abgespaltenen Ammoniaks. Wenn der Stickstoffbindung durch Azotobacter oder andere frei im Boden lebende Bakterien eine sonderliche Bedeutung in der Natur zukäme, hätte sie in diesem Fall des Versuches sichtbar werden müssen. Der bloße Nachweis des Bakteriums im Boden ist noch kein Beweis für eine Stickstoffbindung. Um ein richtiges Bild über den Einfluß N-haltiger Verbindungen auf Azotobacter zu bekommen, wurden nachstehend beschriebene Versuche gemacht (Tabelle 1—4). Es handelt sich um Reinkulturen von Azotobacter in Nährlösungen, die als Energiequelle Mannit, zunächst aber (Tab. 1) keine Stickstoffverbindungen enthielten. In bestimmten Zeitabständen wurde die Kulturlösung samt den darin enthaltenen Bakterien durch Schütteln homogenisiert und der Zellstickstoff durch Filtration von der Nährlösung (Filtrat) getrennt. Auf diese Weise konnten der gesamte Stickstoff der Lösung, der in den Bakterien vorhandene Stickstoff, der Stickstoff des Filtrates und in diesem das Ammoniak genau bestimmt werden.

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Biologische Bindung des elementaren Stickstoffs

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