Stickstoff als Problem (H. Bannwarth)


Zuviel an Stickstoffdüngern schadet Mensch und Umwelt: Ursachen und Folgen übermäßiger Einträge von pflanzenverfügbaren Stickstoffverbindungen

Seit der Etablierung des Haber-Bosch-Verfahrens und der Massenherstellung von Kunstdünger ist die Stickstoffversorgung unserer Nutzpflanzen weitgehend gesichert. Die daraus resultierenden Problematiken sind von zentraler Bedeutung für Umwelt und Gesundheit. Überdüngung, Artenschwund, Versauerung von Böden und Ozeanen, Waldschäden, Mineralienmängel in der Natur und Mangelerkrankungen des Menschen lassen sich auf die in der Natur nicht vorgesehene technische Nutzung des inerten Stickstoff-Pools der Luft im großen Maßstab zurückführen.

Wie ist das zu verstehen?

Wir alle müssen essen. Über 7 Milliarden Menschen müssen weltweit ernährt werden. Dazu wird vor allem pflanzliches und tierisches Eiweiß benötigt. Eiweiß oder Protein ist für das Wachstum und die Entwicklung von allen Organismen und allen lebenden Zellen unbedingt nötig. Proteine haben unzählige lebenswichtige Funktionen in lebenden Zellen und sind auch Struktur-und Baustoffe. Ohne Proteine gäbe es kein Leben. Nicht zuletzt sind Proteine organische Nährstoffe, die von Pflanzen durch Photosynthese hergestellt werden (Bild). Ohne düngefähigen oder pflanzenverfügbaren Stickstoff können die Pflanzen kein Eiweiß bilden. Stickstoff, den Pflanzen nutzen können, ist von Natur aus ein Mangelstoff.

Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft stellt dazu klar:

Die wachsende Weltbevölkerung hat verschiedene, gleichzeitig wachsende Versorgungsansprüche: sie braucht mehr Nahrung, mehr Rohstoffe, mehr Energie. Erste und vornehmste Aufgabe der Landwirtschaft ist die Sicherung der Ernährung der Menschheit. Hierfür steht Landwirtschaft seit Jahrtausenden. Dieser Rolle als Nahrungsmittellieferant wird sie auch künftig nachkommen. Der Landwirtschaft sind jedoch längst neue Ansprüche zugewachsen. Sie soll Ernährung sichern und gleichzeitig auch Ressourcen für andere Bedürfnisse der Menschen bereitstellen, wie z.B. Rohstoffe und Energie.

Obwohl die Luft zu etwa 78% aus Stickstoff besteht, steht der Riesenvorrat an Stickstoff in der Luft den Pflanzen in der Regel nicht zur Verfügung, da sie den elementaren oder molekularen Luftstickstoff N2 nicht nutzen können.

Aus Bannwarth/Kremer/ Schulz: Basiswissen, Springer, 2013, 3.Aufl.

Ausnahmen bestehen insofern, als es Stickstoff-fixierende Bakterien, z.B. Rhizobium-Arten bei Leguminosen (Hülsenfrüchtlern) und Strahlenpilze (Actinomyceten), etwa an der Erle oder am Sanddorn gibt, die den Luftstickstoff nutzen und den Pflanzen in Wurzel-Symbiose zur Verfügung stellen.

Ansonsten benötigen Pflanzen zur Herstellung von Eiweißstoffen pflanzenverfügbare Stickstoff-Verbindungen. Das sind vor allem Ammoniumsalze oder Nitrate, die gedüngt werden können. Ammonium-Salze enthalten Ammonium-Ionen NH4+. Sie leiten sich vom Ammoniak NH3 ab und entstehen, wenn Ammoniak in Wasser geleitet wird:

NH3 + H2O ⇄ NH4+ + OH.

Nitrate NO3 sind die Salze der Salpetersäure HNO3. Diese ist eine starke Säure und dissoziiert in Wasser nahezu vollständig:

HNO3 → H++ NO3.

Früher musste der Landwirt vor allem NPK-Dünger ausbringen, um dem Boden die durch Ernteentzug verloren gegangenen Stickstoff- Phosphor- und Kalium-Verbindungen zu ersetzen. Heute bringen Stickstoff-Dünger oft wenig Ertragsverbesserung, da die Böden häufig durch Stickstoff-Verbindungen überdüngt sind.

Die Überlastung der Ökosysteme durch pflanzenverfügbaren Stickstoff ist als wichtige Bedrohung erkannt. In Deutschland werden über 2 Millionen t Ammoniak NH3 durch das Haber-Bosch-Verfahren hergestellt und mehr als eine halbe Million t von der Landwirtschaft emittiert. Bei der Ursachenforschung zu Bodenversauerung und Waldschäden spielen die Stickstoffeinträge aus der Landwirtschaft, die zu Salpetersäure oxidiert werden, bei der Versauerung und Eutrophierung von terrestrischen und aquatischen Ökosystemen eine maßgebliche Rolle.

Atmung/ Verbrennung

↓Eiweiß/Kohlenhydrate/Fette         Anorganische Stoffe

Photosynthese

Warum hat sich das geändert? Wie konnte es kommen, dass aus einem Mangel ein Überschuss an Stickstoff-Eintrag entstehen konnte?

Zweifellos hat der Mensch, was die Stickstoff-Ernährung der Pflanzen betrifft, die Verhältnisse auf den Kopf gestellt.

Das ist auf ist die Tatsache zurückzuführen, dass der Mensch darauf gekommen ist, technisch den Luftstickstoff durch das Haber-Bosch-Verfahren chemisch umzusetzen und zu nutzen. Dabei wird der Luftstickstoff mit Hilfe von Katalysatoren unter hohem Durch und bei hoher Temperatur mit Wasserstoff zu Ammoniak umgesetzt:

Das hat allerdings nicht nur positive Folgen, nämlich diejenige, dass man so viele Menschen ernähren kann, sondern auch negative Folgen wie die Überdüngung und Eutrophierung von Ökosystemen, von Wäldern, von Pflanzenstandorten fast überall in unserer Kultur-Natur, von Landschaften, von Gewässern und Ozeanen.

Durch übermäßige Stickstoff-Einträge werden die stickstoffliebenden Pflanzen, die nitrophilen Arten, gefördert und andere dafür verdrängt. Bei jeder Exkursion kann man die Eutrophierung, die Überdüngung durch Stickstoffeinträge aus der Luft an ihren Auswirkungen aufzeigen:

An manchen Stellen breitet sich die Brombeere, die Waldrebe oder der Efeu derart aus, dass nichts anderes Platz hat. Anderswo wiederum bilden Brennnesselbestände, Zaun-Giersch, Hecken-Kälberkropf, der Stumpfblättrige Ampfer, das Kleblabkraut, der Wiesenkerbel, der Kriechende Hahnenfuß, Taubnesseln oder der Löwenzahn nahezu reine Monokulturen.

 Das ist aber längst nicht alles. Letztendlich erscheint der in die Umwelt gebrachte Stickstoff in einer oxidierenden Sauerstoff-Atmosphäre notwendigerweise als Salpetersäure in den Böden. Forstleute sprechen von einem Säurestoß. Im menschlichen Organismus werden die Stickstoffverbindungen nicht zu Salpetersäure oxidiert. Ein solcher Säurestoß würde die Puffersysteme des Blutes, hauptsächlich Hydrogencarbonate HCO3–, überfordern. Bekanntlich scheiden wir Menschen, aber auch die uns verwandten Wirbeltiere, deshalb überschüssige Stickstoffverbindungen aus dem Eiweißabbau als Harnstoff oder Harnsäure aus, ohne sie zu oxidieren.

Alle Stickstoffverbindungen, vor allem Proteine, in der organischen Substanz werden zu Salpetersäure oxidiert (Bild). Dies bewirkt für die Waldböden und Wurzeln eine Freisetzung von Säure, einen Säurestoß. Man weiß, dass dadurch im mineralischen Ton-Unterboden toxische Aluminium-Ionen Al3+ mobilisiert werden, die nicht nur Wuzeln absterben lassen, sondern alles Leben aus den Böden vertreiben. Regenwürmer oder wichtige Kleinlebewesen des Bodens verschwinden:

Al2O3   +   6 HNO3  →  2 Al3+ + 6 NO3 + 3 H2O

Freie wasserlösliche Aluminium-Ionen Al3+ sind für lebende Zellen deshalb toxisch, weil sie sich an Phosphatgruppen lebenswichtiger Stoffe in der Zelle setzen. Bekanntlich ist Aluminium-Phosphat ein schwerlösliches Salz. Das heißt, die beiden dreiwertigen Ionen Al3+ und Phosphat PO43– binden fest aneinander. Zu den lebenswichtigen Biomolekülen der Zelle gehören die Nukleinsäuren, DNA und RNA, aber auch ATP und NAD+ bzw. NADP+, die für genetische Funktionen oder den Energiestoffwechsel von Organismen unentbehrlich sind. Besonders verheerend müssen sich für Menschen die Folgen des Absterbens von Nervenzellen des Gehirns als Folge der Einwirkung toxischer Aluminium-Ionen auswirken. Neurodegenerative Erkrankungen wie die Alzheimer-Krankheit können in den Fällen auftreten, in denen sich der Organismus nicht gegen toxische Aluminium-oder auch Schwermetall-Ionen (z.B. Eisen-, Kupfer- oder Mangan- Ionen) wehren kann.

Die Ursachen und Folgen der globalen Versauerung terrestrischer und mariner Ökosysteme, die sich etwa als Bodenversauerung in Wäldern, Agrarflächen oder als Versauerung der Oberflächengewässer in den Ozeanen äußert, werden erst nach und nach bekannt. Immer mehr wird klar, welche besondere Rolle die Salpetersäure HNO3, eine starke Säure, die sich aus Ammoniak NH3 (Haber-Bosch-Verfahren) und Stickoxiden unter oxydierenden Bedingungen der Atmosphäre bildet, spielt. Sie gibt nicht nur Anlass zur Freisetzung von CO2 aus Kalkgestein und Meeren, sondern verhindert auch die Aufnahme von CO2 durch die Ozeane. Es hat sich gezeigt, dass die Auswirkungen der Zunahme pflanzenverfügbaren Stickstoffs auf Landschaften, Waldökosysteme und landwirtschaftlich genutzte Böden im Hinblick auf Versauerung, Eutrophierung und Mineralstoffmängel erheblich sein können.

Die Wasserwerke haben immer mehr Probleme, die Grenzwerte für Nitrat NO3 einzuhalten. Selbst Wasser aus Waldökosystemen kann mit Nitrat belastet sein. Nitrat kann der menschlichen Gesundheit bekanntlich schaden, da es im Verdauungstrakt zu Nitrit NO2– reduziert wird, das bekanntlich zur Bildung kanzerogener, das heißt Krebs erzeugender Nitrosamine, führen kann. Auch, wenn Nitrat im Trinkwasser nicht unbedingt zu Krebs führt, wird hierdurch die menschliche Gesundheit gefährdet.

Nitrat im Wasser schmeckt widerlich. Davon kann sich jeder überzeugen: Nimmt man jeweils eine Spatelspitze Natriumnitrat NaNO3 und löst sie in einem Reagenzglas in Wasser und vergleicht die Probe mit einer solchen, die statt des Nitrats Kochsalz Natriumchlorid NaCl oder Natriumsulfat Na2SO4 enthält, so kommt man zu folgenden Resultat: Natriumsulfat ist völlig geschmacklos, Natriumchlorid schmeckt salzig und Natriumnitrat bitter. Die Natur warnt uns offenbar vor zu viel Nitrat und vor einem Übermaß an Kochsalz.

Weltweit wurden im Jahr 2011 136 Millionen Tonnen Ammoniak NH3  hergestellt hauptsächlich in China, Indien, Russland und USA.

Das Sondergutachten des Sachverständigenrates für Umweltfragen (SRU): „Stickstoff – Lösungsstrategien für ein drängendes Umweltproblem“ stellt fest:

Die zu hohen Einträge von Stickstoffverbindungen gehören zu den großen ungelösten Umweltproblemen unserer Zeit. Das Thema besitzt eine ähnliche Brisanz wie der Klimawandel und der Verlust der Biodiversität, zumal es mit diesen Großthemen der Umweltpolitik eng verwoben ist. Das Gutachten unternimmt eine gesamthafte Bestandsaufnahme des Stickstoffproblems und entwickelt Handlungsvorschläge für den Gewässerschutz, den Naturschutz, die Luftreinhaltung sowie den Landwirtschafts- und Verkehrssektor. Der SRU nimmt auch Stellung zu den aktuellen Diskussionen um die Novelle der Düngeverordnung und die Ziele der europäischen Luftreinhaltepolitik für 2030. Insgesamt empfiehlt der SRU in seinem Sondergutachten eine hochrangige und besser integrierte Behandlung des Themas in Bund und Ländern.

Dazu gab es am 14.1.2015 folgende Pressemitteilung: Deutliche Reduktion der Stickstoffeinträge erforderlich.

 Der zu hohe Eintrag von reaktiven Stickstoffverbindungen in die Umwelt gefährdet die menschliche Gesundheit, die Gewässer, die Biodiversität und das Klima. „Die Politik muss dieses bedeutende Umweltproblem entschiedener als bisher angehen. Dies betrifft sowohl die Landwirtschafts-, Verkehrs- als auch die Energiepolitik. Deshalb ist eine Stickstoffstrategie nötig“, fordert Prof. Karin Holm-Müller, die stellvertretende Vorsitzende des Sachverständigenrates für Umweltfragen der Bundesregierung. Heute übergibt der SRU sein Sondergutachten „Stickstoff: Lösungsstrategien für ein drängendes Umweltproblem“ an Bundesumweltministerin Barbara Hendricks.

Die Belastung der Umwelt mit reaktivem Stickstoff ist ein vielfach unterschätztes Problem. Es geht nicht alleine um die Vermeidung von Nitratbelastungen im Trinkwasser. Zu hohe Nährstoffeinträge führen zu weitreichenden Schäden an der Biodiversität. Zum Beispiel beeinträchtigt die verminderte Vielfalt blühender Pflanzen auf Wiesen und Äckern die Ernährungsgrundlage von Bestäubern wie Bienen. Die Überdüngung der Meere führt zu verstärkter Algenbildung. Sichtbare Folge ist die Schaumbildung an den Stränden der Ost- und Nordsee. Zu hohe Stickstoffoxidkonzentrationen in der Luft gefährden die menschliche Gesundheit, Lachgasemissionen tragen zum Klimawandel bei. Die wichtigsten Ursachen sind die Düngung in der Landwirtschaft und die Verbrennung von Kohle, Öl oder Biomasse.

Wegen zu hohen Konzentrationen von reaktiven Stickstoffverbindungen in Luft und Gewässern verfehlt Deutschland vielfach die Vorgaben der europäischen Umweltpolitik. 27 % der Grundwasserkörper befinden sich aufgrund einer zu hohen Nitratkonzentration in schlechtem chemischen Zustand, 48 % der natürlichen und naturnahen Ökosysteme an Land sind von Eutrophierung betroffen (Zahl für das Jahr 2009) und an etwa 70 % der innerstädtischen, stark durch den Verkehr beeinflussten Messstationen wird der Langzeitgrenzwert für Stickstoffdioxid in der Luft von 40 μg/m3 überschritten. „Eine umweltpolitische Vorreiterrolle sieht anders aus“, stellt das federführende Ratsmitglied, Prof. Heidi Foth, fest. Der SRU geht davon aus, dass mindestens eine Halbierung der Stickstoffeinträge in Deutschland und der EU notwendig wäre, um nationale und internationale Qualitätsziele zu erreichen.

Um dem Thema ein angemessenes politisches Gewicht und eine deutlich höhere öffentliche Aufmerksamkeit zu verleihen, empfiehlt der SRU daher eine Stickstoffstrategie. Diese sollte von Bund und Ländern gemeinsam entwickelt werden.

Der SRU macht in seinem Gutachten über 40 Handlungsvorschläge. Aktuelle Handlungsprioritäten sind:

– Die Novelle der Düngeverordnung (DÜV), die die Ausbringung von Gülle oder Gärresten regeln soll: Sie bietet die Chance deutlich verminderter Nährstoffaufbringung. Sie verringert gleichzeitig die Nitratbelastung, die Ammoniak- und die Lachgasemissionen. Somit ist sie Gewässerschutz, Luftreinhaltepolitik und Klimaschutz in einem. Der Referentenentwurf vom Dezember 2014 würde Verbesserungen bringen, die aber noch nicht ausreichend sind. Wichtig ist vor allem: ohne scharfe Kontrollen und Sanktionen nützen die strengsten Vorgaben wenig.

– Die Einführung einer Umweltabgabe auf Stickstoffüberschüsse aus der Landwirtschaft als Ergänzung zu ordnungsrechtlichen Vorgaben: Der Minderungsbedarf ist so hoch, dass ökonomische Anreize für weitere Maßnahmen verstärkt werden müssen.

– Die Weiterentwicklung der europäischen Luftreinhaltepolitik: Es ist unbedingt darauf zu achten, dass die ursprünglich vorgeschlagenen strengeren Reduktionsziele für Ammoniak und Stickstoffoxide für 2030 nicht aufgegeben werden. Der SRU bewertet daher die Entscheidung der Europäischen Kommission, die Behandlung aktueller Vorschläge zu verschieben, als ökonomisch und ökologisch kurzsichtig.

Das Sondergutachten „Stickstoff: Lösungsstrategien für ein drängendes Umweltproblem“ kann unter www.umweltrat.de hier heruntergeladen werden.

Für die Ursachen und Erklärungen der neuartigen Waldschäden hatten wir bereits vor Jahren Einträge von starken Säuren wie Salpetersäure verantwortlich gemacht:

Macht man sich nun aus diesen vergleichenden Betrachtungen ein Bild, so ergibt sich, dass die auffälligen Waldschäden in den Reinluftgebieten der Mittelgebirge, etwa auf den Höhen des Schwarzwaldes oder des Harzes offenbar durch zunächst schwer erklärliche Ursachen bedingt sein müssen. Dazu gehört die Vermutung, dass primäre Schadgase wie Schwefeldioxid SO2 und Stickoxide NO/NO2 in der Atmosphäre unter dem Einfluss energiereicher Strahlung und Sauerstoff O2 in starke Säuren wie Schwefelsäure H2SO4 und Salpetersäure HNO3 und starke Oxidationsmittel, Photooxidantien wie Ozon O3 und seine Derivate umgewandelt werden und die industriefernen Landschaften belasten(„Sekundärschadstoff-Theorie“). Aber auch die Annahme, dass den Bäumen der Reinluftgebiete im Gegensatz zu den Ballungsgebieten wichtige Mineralien als Pflanzennährstoffe fehlen, könnte eine Erklärung sein („Nutzstoffmangel-Theorie“). Diese Mängel könnten durch Auswaschung aufgrund des sauren Regens, vornehmlich des Eintrags von Salpetersäure, hervorgerufen sein („Stickstoff – Überdüngungstheorie“).

 übermäßige Düngung mit Stickstoffdüngern wie Gülle und andere organische und anorganische stickstoffhaltige Dünger einschränken.

Zusätzlich sollte man die durch die Säureextraktion der Böden durch Salpetersäure HNO3 ausgewaschene und verloren gegangene Mineralien wie Calcium-Ionen Ca2+, Magnesium-Ionen Mg2+ und wichtige Spurenelemente wie etwa Selen, Zink, Molybdän ersetzen.

Das kann man am besten durch die Verwendung von Aschen aus der Verbrennung von Biomasse, aus Holz oder auch Braunkohle, wenn diese auf ihre Eignung untersucht wurden.

Ein solches Recycling verlangt allerdings gewissenhaftes verantwortliches Vorgehen und gute chemische und ökologische Fachkenntnisse, weil man sonst der Umwelt mehr schaden als nutzen würde.

Es gibt im Prinzip zwei Wege zu einer nachhaltigen Wirtschaftsweise, die auch zukünftigen Generationen eine lebenswerte Welt lässt: Drastische Reduzierung des Verbrauchs verbunden mit optimaler Effektivität oder das Wirtschaften in zyklischen Prozessen. Das bedeutet insbesondere das Wiederverwerten von Stoffen in Stoffkreisläufen und die Wiederherstellung zerstörter Lebensbereiche, das Rekultivieren nach neuestem Stand von Wissenschaft und Technik. Hierzu ist handlungsorientiertes Verantwortungsdenken in Verbindung mit hoher Fachkompetenz erforderlich. Das Schließen von Stoffkreisläufen ist ein der Natur entnommenes Konzept der Nachhaltigkeit.

Eigne Untersuchungen hatten die Erkenntnis erbracht, dass man der Umwelt, der Natur, den Böden und der Gesundheit durch ein richtiges Recycling nutzen könnte.

Was kann man gegen die Überdüngung der Umwelt durch Stickstoffverbindungen tun? Zunächst muss man die Stickstoff-Einträge, so gut es geht, reduzieren und die übermäßige Düngung mit Stickstoffdüngern wie Gülle und andere organische und anorganische stickstoffhaltige Dünger einschränken.

Was kann man gegen die Überdüngung der Umwelt durch Stickstoffverbindungen tun? Zunächst muss man die Stickstoff-Einträge, so gut es geht, reduzieren und die übermäßige Düngung mit Stickstoffdüngern wie Gülle und andere organische und anorganische stickstoffhaltige Dünger einschränken.

Zusätzlich sollte man die durch die Säure-Extraktion der Böden durch Salpetersäure HNO3 ausgewaschene und verloren gegangene Mineralien wie Calcium-Ionen Ca2+, Magnesium-Ionen Mg2+ und wichtige Spurenelemente wie etwa Selen, Zink, Molybdän ersetzen.Das kann man am besten durch die Verwendung von Aschen aus der Verbrennung von Biomasse, aus Holz oder auch Braunkohle, wenn diese auf ihre Eignung untersucht wurden.

Ein solches Recycling verlangt allerdings gewissenhaftes verantwortliches Vorgehen und gute chemische und ökologische Fachkenntnisse, weil man sonst der Umwelt mehr schaden als nutzen würde.

Es gibt im Prinzip zwei Wege zu einer nachhaltigen Wirtschaftsweise, die auch zukünftigen Generationen eine lebenswerte Welt lässt: Drastische Reduzierung des Verbrauchs verbunden mit optimaler Effektivität oder das Wirtschaften in zyklischen Prozessen. Das bedeutet insbesondere das Wiederverwerten von Stoffen in Stoffkreisläufen und die Wiederherstellung zerstörter Lebensbereiche, das Rekultivieren nach neuestem Stand von Wissenschaft und Technik. Hierzu ist handlungsorientiertes Verantwortungsdenken in Verbindung mit hoher Fachkompetenz erforderlich. Das Schließen von Stoffkreisläufen ist ein der Natur entnommenes Konzept der Nachhaltigkeit.

Eigne Untersuchungen hatten die Erkenntnis erbracht, dass man der Umwelt, der Natur, den Böden und der Gesundheit durch ein richtiges Recycling nutzen könnte.