Reaktiver Stickstoff in der Umwelt

Formen reaktiven Stickstoffs

Elementarer Stickstoff (N2) besteht aus zwei Stickstoffatomen, die eine sehr starke Bindung miteinander koppelt. Daher ist elementarer Stickstoff kaum reaktiv und kann von den meisten Lebewesen nicht genutzt werden. Im Unterschied dazu geht reaktiver Stickstoff vielfältige Bindungen mit organischen und anorganischen Stoffen ein. Er ist für alle Lebensprozesse von grundlegender Bedeutung. Die Verfügbarkeit reaktiven Stickstoffs limitiert häufig das Pflanzenwachstum und eine ausreichende Versorgung mit reaktivem Stickstoff ist deshalb für die Nahrungsmittelproduktion entscheidend. Gelangt reaktiver Stickstoff jedoch in zu großen Mengen in die Umwelt, so wird er zu einem der bedeutendsten Schadstoffe für Menschen und Ökosysteme.

Besonders umweltrelevante Formen des reaktiven Stickstoffs sind

  • die Gase Ammoniak (NH3), Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO2) und Lachgas (N2O) sowie
  • Ammonium (NH4+) und Nitrat (NO3-), die gelöst und in Luftfeinstäuben auftreten.

Die verschiedenen Formen reaktiven Stickstoffs sind sehr mobil und ineinander transformierbar. Sie zirkulieren über einen biogeochemischen Kreislauf zwischen Luft, Boden, Wasser und Organismen.

Quellen reaktiven Stickstoffs

Etwa 50 Prozent des Stickstoffvorrats unseres Planeten befinden sich als gasförmige Stickstoffverbindungen in der Atmosphäre. Den weitaus größten Teil davon (mehr als 99 %) nimmt der reaktionsträge elementare Stickstoff ein. Nur wenige natürliche Prozesse wandeln elementaren Stickstoff in reaktive Formen um: Einige wenige Bakterienstämme können z. B. elementaren Stickstoff aufspalten und so pflanzenverfügbar machen. Seit der industriellen Revolution wird jedoch durch menschliche Prozesse deutlich mehr elementarer Stickstoff in reaktive Formen umgewandelt. Die Rate dürfte sich gegenüber dem vorindustriellen Niveau um das Zehnfache vergrößert haben. Die wichtigsten Umwandlungsprozesse sind

  • die Verbrennung fossiler Energieträger und die damit verbundene Emission von Stickstoffoxiden (NOx),
  • die Synthese von Ammoniak (NH3) mit dem Haber-Bosch-Verfahren (hauptsächlich zur Düngemittelproduktion) sowie
  • der Anbau von Hülsenfrüchten.

Wirkungen reaktiven Stickstoffs

Durch die übermäßige Freisetzung reaktiver Stickstoffverbindungen werden natürliche Stoffkreisläufe und Ökosystembeziehungen empfindlich gestört. Erhebliche nachteilige Wirkungen für Mensch und Umwelt sind die Folge.

  • Weiträumige Nährstoffübersättigung (Eutrophierung) und Versauerung von Ökosystemen hat nachhaltige Folgewirkungen, wie zum Beispiel den Verlust an biologischer Vielfalt.
  • Die Auswaschungen von Nitrat gefährden die Qualität des Trinkwassers.
  • Erhöhte Emissionen von Lachgas führen zu einer zusätzlichen Verschärfung des Klimawandels.
  • Gasförmige Stickstoffverbindungen sind Vorläuferstoffe von bodennahem Ozon und sekundären Feinstäuben und damit ein Risiko für die menschliche Gesundheit.
  • Erhöhte Ammoniak- und Ozonkonzentrationen in der Atmosphäre führen in Europa zu weiträumigen Schädigungen empfindlicher Pflanzen.
  • Stickstoffdioxid schädigt die Atemwege und so die menschliche Gesundheit.

Minderungsstrategien - Integrierte und internationale Ansätze

Durch die Wandlungsfähigkeit des Stickstoffs können Minderungsmaßnahmen in einem Umweltbereich unter Umständen dazu führen, Probleme in einen anderen Bereich zu verschieben und sie dort noch zu verstärken. Um die Emissionen reaktiver Stickstoffverbindungen wirksam zu reduzieren und die vielfältigen negativen Umweltwirkungen zu mindern, bedarf es deshalb integrierter Konzepte. Vor diesem Hintergrund hat das Umweltbundesamt im Jahr 2009 für Deutschland eine Integrierte Strategie zur Minderung von Stickstoffemissionen erarbeitet. Auch auf europäischer und internationaler Ebene werden in jüngster Zeit verstärkt überregionale und medienübergreifende Lösungsansätze entwickelt.

Integrierte Stickstoff-Emissionsminderung

Trotz langjähriger Anstrengungen, die Stickstoffeinträge in die Umwelt zu reduzieren, wurden die meisten stickstoffbezogenen Umweltqualitäts- und -handlungsziele bisher nicht erreicht.

  • Wegen der anhaltenden Überdüngung von Ökosystemen als Folge der Stickstoffeinträge schreitet der Verlust an biologischer Vielfalt unvermindert fort.
  • Geltende Richt- und Grenzwerte zum Schutz der menschlichen Gesundheit vor einer Gefährdung durch Nitrat im Trinkwasser sowie durch NO2, Feinstaub und Ozon in der Außenluft werden überschritten.
  • Deutschland wird die in der EU-NEC-Richtlinie festgelegten Emissionsminderungsziele für NOx und Ammoniak voraussichtlich nicht ohne weitere Maßnahmen erreichen.
  • Eine Stabilisierung der Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre, um eine gefährliche anthropogene Störung des Klimasystems zu verhindern, erfordert eine deutliche Minderung der Freisetzung von Lachgas (N2O).

Bisherige Maßnahmen zur Minderung der Stickstoffemissionen waren häufig zu wenig effektiv, da sich gesetzliche Vorgaben und Regelungen auf einzelne Emissionsbereiche beschränkten oder nur eine Umweltwirkung bzw. ein Schutzgut betrafen. Vor dem Hintergrund der Wandel- und Transportfähigkeit von reaktiven Stickstoffverbindungen kann aber die Emissionsvermeidung in einem Bereich eine unerwünschte Verlagerung von Problemen in andere Umweltbereiche zur Folge haben.

Um die negativen Umweltwirkungen zu mindern und gleichzeitig die Vorteile reaktiven Stickstoffs in der Nahrungsmittelproduktion effizient zu nutzen, bedarf es daher einer integrierten Betrachtungsweise. Das Umweltbundesamt hat deshalb eine Integrierte Strategie zur Minderung von Stickstoffemissionen erstellt. Die Strategie beinhaltet eine Bilanz, die den Stickstoffkreislauf in Deutschland über alle Umweltmedien (Luft, Wasser, Boden) quantifiziert. Die wichtigsten Emittenten von reaktivem Stickstoff sind die Landwirtschaft, der Verkehr und die Energiewirtschaft. Neben der Bilanz enthält die Strategie eine Aufstellung möglicher Instrumente und Maßnahmen zur Minderung von Emissionen reaktiven Stickstoffs. Bei der Bewertung der Maßnahmen werden die entstehenden Kosten und die Wirkungen auf die verschiedenen Umweltbereiche berücksichtigt. Besonders in der Landwirtschaft besteht ein kosteneffizientes Potential zur Minderung der Stickstoffemissionen.

Internationale Initiativen zur Stickstoff-Emissionsminderung

Die Überlastung von Ökosystemen mit reaktiven Stickstoffverbindungen betrifft nicht nur Deutschland und Europa. Der Mensch beeinflusst den globalen Stickstoffkreislauf massiv. Weltweit wird zurzeit etwa viermal mehr Stickstoff in die reaktive Form umgewandelt, als für ein langfristiges Überleben nachhaltig verträglich ist. Durch steigenden Energiebedarf und das Bevölkerungswachstum ist von einer weiteren Verschärfung der Problematik auszugehen. Es handelt sich um ein globales Querschnittsproblem des Umweltschutzes. Verschiedene europäische und weltweite Netzwerke von Wissenschaftlern und politiknahen Akteuren machen daher seit einigen Jahren verstärkt auf die globalen Probleme aufmerksam, die aus der Überlastung des Stickstoffkreislaufs entstehen. Wichtige Fragen gilt es zu beantworten um daraus Lösungsstrategien zu entwickeln.

  • Was sind global betrachtet die wichtigsten Quellen und Senken reaktiven Stickstoffs?
  • Wie groß sind die globalen Stickstoffflüsse? Über globale Nahrungs- und Futtermitteltransporte wirken sich diese Stickstoffflüsse teils weit entfernt von ihrer Entstehung aus.
  • Wie lässt sich die globale Stickstoffeffizienz erhöhen?
  • Welche weiteren Minderungsmaßnahmen stehen uns zur Verfügung und wie lassen sich diese implementieren?
  • Welche Wechselwirkungen bestehen zwischen dem Stickstoffkreislauf, dem Kohlenstoffkreislauf und dem Klima?
  • Wie lässt sich die Datenbasis erweitern, um die Entfernung von reaktivem Stickstoff durch die Umwandlung zu elementarem Stickstoff (Denitrifikation) und die Akkumulation von Stickstoff in Ökosystemen besser quantifizieren zu können?

Mit dem Ziel, die Nutzung reaktiven Stickstoffs im Rahmen einer nachhaltigen Nahrungsmittelproduktion zu stärken und gleichzeitig negative Wirkungen auf Mensch und Umwelt zu minimieren, wurde 2002 die globale Internationale Stickstoff Initiative (INI) gegründet. Ihre fünf regionalen Zentren auf den fünf Kontinenten koordinieren die effektive Vernetzung von Wissenschaftlern und weiteren relevanten Akteuren (z.B. Düngemittelindustrie) und fördern dadurch die Entwicklung regionaler Bewertungs- und Lösungsansätze und deren Integration in eine gemeinsame Strategie.

In Europa stellen zahlreiche Forschungsnetzwerke (Nitrogen in Europe – ESF Project, COST Action 729 - Assessing and Managing nitrogen fluxes in the atmosphere-biosphere system in Europe, NitroEurope - Integrated Project) den Stand des Wissens zur Emission, zum Transport und zu den Wirkungen von reaktiven Stickstoffverbindungen in allen Umweltmedien zur Verfügung. Dieses Hintergrundwissen ist erforderlich, um politische Maßnahmen und Instrumente begründet ableiten und weiterentwickeln zu können. Im Rahmen eines Experten-Workshops im April 2011 in Edinburgh veröffentlichte NinE eine umfassende Zusammenstellung dieses Wissens in einer europäischen Stickstoffbewertung, dem „European Nitrogen Assessment (ENA)“.
Im Rahmen der Genfer Luftreinhaltekonvention werden diese wissenschaftlichen Erkenntnisse für die Entwicklung neuer Strategien verwendet. Die Arbeitsgruppe „Reaktiver Stickstoff“ („Task Force on Reactive Nitrogen“) ist seit 2008 beauftragt, integrierte Lösungsansätze zur Verminderung von Emissionen reaktiver Stickstoffverbindungen zu erarbeiten.

Auch internationale Abkommen, die den Erhalt einzelner Schutzgüter zum Ziel haben, befassen sich intensiv mit der Stickstoffproblematik. Vor allem im Bereich der Luftreinhaltung und im Meeresschutz sind internationale Vereinbarungen für Fortschritte beim Umweltzustand zwingend erforderlich. So vereinbarten internationale Abkommen zum Schutz der Nord- und Ostsee (Konvention zum Schutz der Meeresumwelt des Nord-Ost Atlantiks - OSPAR und Helsinki Konvention zum Schutz der Meeresumwelt der Ostsee - HELCOM) bereits in den 1980er Jahren eine Halbierung der Stickstofffrachten über die Flüsse in die Küstengewässer beider Meere, um Algenpest und Sauerstoffarmut zu reduzieren. Die Reduktion der Stickstofffrachten wurde in Deutschland für die Ostsee erst in jüngster Zeit erreicht.

Im Rahmen des UN-Abkommens über die Biologische Vielfalt (CBD) spielt die Verminderung der Stickstoffbelastung von Ökosystemen als entscheidende Voraussetzung für den Schutz der Biodiversität eine wichtige Rolle. Das Abkommen hat die Entwicklung des Stickstoffeintrags als Indikator festgelegt, um Erfolge bei der Reduzierung der gegenwärtigen Rate des Artenverlusts bewerten zu können.

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 Stickstoff  Nitrat  Eutrophierung  Versauerung