Wie verändert der Mensch den natürlichen Stickstoffkreislauf?
<p>Im Baustein "Reaktiver Stickstoff" des UBA-Umweltatlas erfahren Sie, was reaktiver Stickstoff ist, wie er entsteht und warum er in Deutschland zu schwerwiegenden Problemen für Umwelt und Gesundheit führt. Außerdem zeigen wir Ihnen, was die Politik unternimmt, um die Situation zu verbessern, und geben Ihnen Tipps, wie Sie selbst Ihren Stickstoff-Fußabdruck verkleinern können.</p><p>In der Rubrik „Gestatten? Reaktiver Stickstoff!“ stellen wir Ihnen die wichtigsten Stickstoff-Verbindungen vor und informieren Sie über die natürlichen und die vom Menschen beeinflussten Pfade von Stickstoff in der Umwelt.</p>
An sich ist reaktiver Stickstoff im natürlichen Stoffhaushalt ein knappes Gut. Nur wenige spezialisierte Organismen können den reichlich vorhandenen Luftstickstoff direkt in reaktiven Stickstoff umwandeln und als Nährstoff nutzen. Außerdem kann reaktiver Stickstoff beispielweise durch die Energiestöße von Blitzen in der Atmosphäre entstehen. In der Natur hat sich daher ein ausgeglichener Stickstoff-Kreislauf eingespielt, bei dem der einmal gebundene Stickstoff sorgsam genutzt und soweit wie möglich wiederverwendet wird. Entstehung und Abbau von reaktivem Stickstoff halten sich im natürlichen Kreislauf weitgehend die Waage.
Der Mensch hat dieses Gleichgewicht stark verändert. Wie er die natürlichen Abläufe überformt, können Sie sich in der Bilderserie ansehen.
Unsere Atmosphäre besteht zu fast 80 Prozent aus molekularem Luftstickstoff (N2).
Alle Lebewesen müssen Stickstoff aufnehmen und in ihrem Stoffwechsel umsetzen, damit ihr Organismus wächst und funktioniert. Die meisten von ihnen sind dafür aber auf fremde Hilfe angewiesen, denn den in großer Menge vorhandenen molekularen Luftstickstoff (N2) können sie nicht verwenden. Die beiden Atome des Luftstickstoffs sind dafür zu fest miteinander verbunden.
Destruenten zersetzen organische Substanz wie Pflanzenreste, Tierkadaver oder tierische Ausscheidungen. Sie machen den darin gebundenen Stickstoff wieder für andere Organismen verfügbar.
Blitzschläge oder Vulkane liefern die nötige Energie, um die beiden fest verbundenen Atome des Luftstickstoffs (N2) zu lösen.
Knöllchen- und Frankia-Bakterien können in der Zusammenarbeit mit Hülsenfrüchtlern oder Erlen Luftstickstoff (N2) in Ammonium (NH4+) umwandeln. Damit ist der Stickstoff für die Bakterien und die Pflanzen nutzbar.
Verschiedene Bakterienstämme wandeln Ammonium (NH4+) oder Ammoniak (NH3) zu Nitrit (NO2-) und Nitrat (NO3-) um (Nitrifikation). Sie leben von der frei werdenden Energie.
Blitzschläge oder Vulkane können die Energie liefern, um die feste Verbindung des Luftstickstoffs zu lösen. Die getrennten Stickstoffatome reagieren zum Beispiel mit dem Luftsauerstoff zu Stickstoffoxiden (NOx) oder mit Regenwasser oder Wasserdampf zu Salpetersäure (HNO3). Auch gibt es einige spezialisierte Bakterienstämme, die Luftstickstoff direkt „verarbeiten“ können (vor allem Cyano- sowie Knöllchen- und Frankia-Bakterien). Dabei entsteht reaktiver Stickstoff in Form von Ammonium (NH4) bzw. Ammoniak (NH3), die verschiedene Bakterienstämme zu Nitrat (NO3-) umbauen können (Nitrifikation). Der natürliche Stickstoffkreislauf ist eröffnet.
Wichtiger Teil dieses Kreislaufs sind die Destruenten. Sie leben davon, organische Substanz wie Pflanzenreste, Tierkadaver oder tierische Ausscheidungen zu zersetzen. Den darin gebundenen Stickstoff wandeln sie in Ammonium um, das dann wieder für andere Organismen nutzbar ist.
Pflanzen können Nitrat (NO3-) besonders gut mit den Wurzeln aufnehmen. Auch Ammonium (NH4+) können viele Pflanzen direkt als Nährstoff verwerten.
Einige Bakterienstämme können das Nitrat (NO3-) denitrifizieren und wieder zu molekularem Luftstickstoff (N2) umbauen.
Manche Bakterienstämme treiben ihren Stoffwechsel an, indem sie Nitrit (NO2-) und Nitrat (NO3-) zu Ammonium (NH4+) umwandeln (Nitrat-Ammonifikation).
Nitrat ist eine zentrale Stickstoffverbindung im Nährstoffkreislauf. Pflanzen können es als Nährstoff gut mit den Wurzeln aufnehmen. Auch verschiedene Bakterienstämme leben vom Nitrat. Einige verdauen Nitrat und Nitrit zu Ammonium und beziehen daraus die Energie für ihren Stoffwechsel. Andere können das Nitrat denitrifizieren und in mehreren Schritten wieder zu molekularem Luftstickstoff umbauen. So schließt sich der natürliche Stickstoffkreislauf.
Menschen und Tiere können Stickstoff dagegen nur über die Nahrung aufnehmen. Ihnen liefern Eiweiße (Proteine) aus der pflanzlichen oder tierischen Kost den lebensnotwendigen reaktiven Stickstoff.
Im Wasser von Bächen, Flüssen und Seen und auch im Meer läuft der Stickstoffkreislauf in einer ähnlichen Form wie im Boden ab.
Lachgas (N2O) kann als Nebenprodukt bei der Nitrifikation und der Denitrifikation entstehen.
Der Stickstoffkreislauf ist ein wichtiger Bestandteil im Nährstoffhaushalt von Ökosystemen. Er läuft im Boden ab, aber auch im Wasser von Bächen, Flüssen, Seen und Meeren. Dort wird der Stickstoffkreislauf noch durch die Anammox-Reaktion ergänzt. Bakterien verarbeiten dabei Ammonium (NH4+) und Nitrit (NO2-), ohne Sauerstoff dafür zu nutzen. Die Produkte sind Wasser und Luftstickstoff (N2). Auf den folgenden Bildern stellt das Kreissymbol den Stickstoffkreislauf im Wasser vereinfachend dar.
Ammoniak (NH3) entweicht aus der Tierhaltung und bei der Ausbringung von Dünger in die Luft. Die Landwirtschaft ist für rund 95 Prozent der Ammoniak-Emissionen in Deutschland verantwortlich.
Neben Ammoniak (NH3) entweicht auch Lachgas (N2O) aus der Tierhaltung und bei der Ausbringung von Dünger in die Luft.
Wird auf Feldern und Wiesen zu viel Dünger ausgebracht, können Ammonium (NH4+) und Nitrat (NO3-) ins Grundwasser gelangen. Bei der Ermittlung der richtigen Menge an stickstoffhaltigem Dünger sind bei Feldern, die mit aufbereitetem Abwasser bewässert werden, die im Wasser enthaltenen Nährstoffe zu berücksichtigen.
Nitrat (NO3-) aus Düngemitteln kann von Feldern und Wiesen in Bäche, Flüsse und Seen gelangen, wenn zum Beispiel ablaufendes Regenwasser Bodenteilchen in die Gewässer schwemmt.
Der Mensch trägt sehr viel mehr Stickstoff in die Umwelt ein, als Pflanzen, Tiere und Mensch verwerten und Bakterien in Luftstickstoff zurückverwandeln können. Vor allem die Landwirtschaft beeinflusst die Stickstoffflüsse. Bei der Haltung von Rindern, Schweinen und Geflügel fallen Mist, Gülle und Jauche an. Diese sogenannten Wirtschaftsdünger enthalten reaktiven Stickstoff in Form von Harnstoff und Harnsäure, Ammonium und Ammoniak. Sie werden ebenso wie stickstoffhaltige Kunstdünger auf Wiesen und Feldern ausgebracht, um Getreide und Feldfrüchte oder auch Gräser mit Nährstoffen zu versorgen.
Auch kleine Feuerungsanlagen in Haushalten, Gewerbe- und Landwirtschaftsbetrieben emittieren Stickstoffoxide (NOx) und in geringen Mengen Lachgas (N2O) in die Atmosphäre.
Aus Energiewirtschaft und Industrie gelangen Stickstoffoxide (NOx) und in geringen Mengen Lachgas (N2O) in die Atmosphäre.
Wenn Brennstoffe verbrannt werden, um Wärme oder Strom zu erzeugen, entstehen Stickstoffoxide. Bei den hohen Temperaturen verbindet sich der Luftstickstoff in der Brennkammer einer Feuerungsanlage mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff. Hinzu kommt, dass viele Brennstoffe selbst Stickstoff enthalten. Dieser gelangt bei der Verbrennung ebenfalls in Form von Stickstoffoxiden und Lachgas in die Luft.
Werden in den Motoren von Autos und Lokomotiven, Schiffen und Flugzeugen Treibstoffe verbrannt, entstehen dabei Stickstoffoxide (NOx) und in geringen Mengen Lachgas (N2O).
Genau wie in den Feuerungsanlagen von Energiewirtschaft und Industrie sowie in den Kleinfeuerungen von Haushalten entstehen auch in den Motoren von Autos, Diesel-Lokomotiven, Schiffen und Flugzeugen Stickstoffoxide und Lachgas, wenn Treibstoffe verbrannt werden.
Die Kläranlagen beseitigen rund 80 Prozent des reaktiven Stickstoffs aus unserem Abwasser. Die restlichen knapp 20 Prozent gelangen als Ammonium- oder Nitrat-Stickstoff in unsere Gewässer. Auch eine Bewässerung von Wiesen und Feldern mit weiter aufbereitetem Abwasser ist möglich. Man spricht dann von Wasserwiederverwendung. Hierfür werden derzeit die notwendigen Anpassungen für die Umsetzung der EU-Verordnung zur Wasserwiederverwendung in deutsches Recht vorbereitet.
Im Denitrifikationsprozess entweicht aus den Kläranlagen auch klimaschädliches Lachgas (N2O).
Mit dem Abwasser werden die Fäkalien aus unseren Siedlungen abtransportiert. Sie enthalten unter anderem in großem Umfang stickstoffhaltigen Harnstoff oder Eiweiße. Um den Eintrag von Stickstoffen zu verringern, sind Kläranlagen mit Stufen zur Nitrifikation und Denitrifikation der Abwässer ausgerüstet. Auch im geklärten Wasser verbleiben aber Nitrat-Stickstoff und Ammonium-Stickstoff, das in Bäche und Flüsse eingeleitet wird. Außerdem entweicht bei der Denitrifikation neben Luftstickstoff auch klimaschädliches Lachgas in die Atmosphäre.
Fazit: Durch den Menschen ist sehr viel mehr reaktiver Stickstoff im Umlauf, er hat den natürlichen Stickstoffkreislauf sehr stark überformt. Experten schätzen, dass der jährliche Eintrag durch den Menschen in Deutschland rund 36-mal größer ist als die durch Pflanzen gebundene Stickstoffmenge.