Kunstdünger zerstört uraltes Gleichgewicht

Anfang des 20. Jahrhunderts wurde ein Verfahren entdeckt, das wir heute als das Haber-Bosch-Verfahren kennen. Bei diesem Prozess entsteht aus Luftstickstoff und Wasserstoff der Düngergrundbaustein Ammoniak.

Der daraus resultierende massenhafte Kunstdüngereinsatz ermöglichte die Ernährung der enorm gewachsenen globalen Bevölkerung.

Düngemittel werden seit Beginn der Landwirtschaft von uns Menschen als Düngemittel zur Ertragssteigerung eingesetzt. Zunächst waren diese rein organisch. Im Laufe der Zeit ersetzten künstlich hergestellte Düngemittel die organischen.

Funktion der künstlichen Düngung

Dünger liefern den Pflanzen zusätzliche Nährstoffe, wie Stickstoff (N), Phosphor (P) oder Kalium (K). Die Pflanzen benötigen diese für die Photosynthese und das Wachstum.

Zeitlich falsche und damit ungeeignete Düngung sowie Überdüngung können negative Umwelt-Auswirkungen haben.

Die Nebenwirkungen des Einsatzes von Kunstdünger sind die Verschmutzung des Grundwassers, die Überdüngung der Meere, Biodiversitätsverluste und nicht zuletzt auch eine Beschleunigung des Klimawandels. Schließlich stammt der Wasserstoff (H2), der im Verfahren angewendet wird, bisher aus fossilen Rohstoffen.

Kollision mit natürlichem Stickstoffkreislauf

Durch den zusätzlichen Düngereintrag im Boden kommt es zu einer Kollision mit dem natürlichen Stickstoff. Dieser ist Teil eines Kreislaufs der Natur, einem über Jahrmillionen fein austarierten Prozess, bei dem Mikroorganismen die Hauptrolle spielen.

Mikroorganismen binden molekularen Stickstoff aus der Luft als Ammonium und sorgen dafür, dass er für andere Mikroben sowie Pflanzen und nachfolgende Nahrungsketten verfügbar wird.

Nicht aufgenommener Stickstoff wird Teil einer Reihe von chemischen Übergangsprodukten wie Nitrit, Nitrat und Lachgas, bevor dieser am Ende wieder als molekularer Stickstoff in die Atmosphäre zurückgeht.

Das Grundprinzip dieser Prozesse ist bekannt und verstanden. Allerdings macht die enorme Vielfalt von Böden und Mikroorganismen Details der Dynamik schwer durchschaubar.

Nachhaltigere Landwirtschaft

Wie die österreichische Tageszeitung DER STANDARD berichtete, arbeiten am Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft (CeMESS) der Universität Wien mehrere Forschungsgruppen auf dem Gebiet des natürlichen Stickstoffkreislaufs.

Ihre Grundlagenforschung trägt dazu bei, dass die landwirtschaftliche Lebensmittelproduktion in Zukunft umweltverträglicher gestaltet werden kann. Sie ist auch ein Teil des Exzellenzclusters „Microbiomes drive Planetary Health“ des Wissenschaftsfonds FWF, der von Michael Wagner, CeMESS-Gründungsdirektor und Leiter einer der Forschungsgruppen, koordiniert wird.

Dass es auf bei den Erkenntnissen der Forschenden noch echte Überraschungen gibt, zeigen Erkenntnisse der Gruppe rund um Wagner und seinen Kollegen Holger Daims aus dem Jahr 2015. Diese haben die bis dahin bestehende Lehrmeinung zur Nitrifikation – also der Verarbeitung von Ammoniak zuerst zu Nitrit und später zu Nitrat – komplett über den Haufen geworfen.

Da die Trinkwasserversorgung oft oder hauptsächlich über Grundwasser erfolgt und Nitrat eine gesundheitsschädigende Wirkung haben kann, entsteht hier ein Nutzungskonflikt zwischen der Landwirtschaft und der Trinkwasserversorgung. Bei Nitrat vermutet man unter anderem ein erhöhtes Krebsrisiko durch die Bildung von Nitrosaminen im Körper.

Daims erklärte den Ablauf nach den Düngereinbringung in einem Interview mit dem STANDARD

Man ging davon aus, dass beide dadurch Energie gewinnen würden, indem sie ihren Ausgangsstoff mithilfe von Sauerstoff umwandeln. Seitdem galt das Phänomen als Paradebeispiel für eine mikrobielle Arbeitsteilung.

Diesen Prozess stellten Daims, Wagner und Kollegen infrage:

erklärte der Mikrobiologe Daims dem STANDARD.

Es hätte sich herausgestellt, dass diese Mikroorganismen beide Schritte, also auch jenen von Ammoniak zu Nitrit, durchführen konnten. Die Bakterien mit dieser Fähigkeit wurden Comammox, was für „complete ammonia oxidizer“ steht, genannt. Die Entdeckung wurde 2015 im renommierten Journal Nature vorgestellt. Die Erkenntnisse deckten sich zeitgleich mit denen einer Forschungsgruppe aus den Niederlanden.

Mittlerweile ist klar, dass Comammox-Bakterien keine Ausnahmeerscheinung sind, sondern wie reine Ammoniak- und Nitritoxidierer in nahezu allen Böden zu finden sind. Die Forscher stellen nun die Hypothese auf, dass Comammox die Nährstoffe effizienter nutzen und daher besser wachsen können, wenn der Eintrag langsam und begrenzt erfolge.

Stickstoff im Überfluss

Die großen Mengen Stickstoff, die als Kunstdünger auf das fein austarierte mikrobielle Ökosystem im Boden treffen, können längst nicht komplett von den Pflanzen aufgenommen werden.

beschreibt Daims die Ist-Situation

Nitrat als Endprodukt der Nitrifikation werde aufgrund seiner negativen Ladung leicht aus Böden ausgewaschen oder in Luftstickstoff umgewandelt. Vor allem könne nur etwa die Hälfte des ausgebrachten Stickstoffs von Pflanzen aufgenommen werden und weniger als 20 Prozent trage schlussendlich zur menschlichen Ernährung bei. Der Rest gehe in Grundwasser, Flüsse und Meere, oder zurück in die Luft.

Molekularer Stickstoff ist nicht das einzige Endprodukt, das in die Atmosphäre entlassen wird. Die Denitrifikation und Nebenreaktionen der Nitrifikation sorgen bei hoher Kunstdüngerbelastung für große Mengen an Lachgas, das über 100 Jahre betrachtet – als Treibhausgas fast 300-mal so potent wie CO₂ ist und die Ozonschicht stark schädigt.

Schonendere Düngung mildert das Problem ab

sagte Daims dem STANDARD.

Eine Düngestrategie, die an diese Prozesse angepasst ist, würde das Entstehen des Treibhausgases stark bremsen. Besonders organischer Dünger, der Mikroorganismen mit geringen Lachgasemissionen mitbringt oder fördert, könnte die klimaschädlichen Effekte abfedern. Auch Comammox könnte hier eine Rolle spielen.

Alternative zu synthetischen Stoffen

Die Forschenden arbeiten zudem an Wegen, den Stickstoffverlust im Boden auf natürliche Art aufzuhalten. Ein Ziel ist es, eine Alternative zu industriellen Nitrifikationshemmern bereitzustellen.

Das Gesundheitsrisiko der synthetischen Stoffe, die sich in pflanzlichen und tierischen Lebensmitteln ansammeln, ist nicht restlos geklärt. Das Team der Uni Wien untersucht deshalb Stoffe aus Pflanzen, die Düngemittelumwandlung und -verlust mindern.

vermeldet Daims.

Im besten Fall entstünde daraus ein natürliches Produkt zur Düngerbeimischung, das pflanzenverfügbaren Stickstoff länger im Boden halte. Dies könnte ein wichtiger Schritt zu einer nachhaltigeren Nutzung der Lebensräume in den Böden mit ihrer einzigartigen, mikrobiellen Komplexität sein.