Während die Kohlenstoffverschmutzung wegen ihrer Rolle beim Klimawandel alle Schlagzeilen beherrscht, ist die Stickstoffverschmutzung wohl ein schwierigeres Problem. Irgendwie müssen wir mehr Nahrungsmittel anbauen, um eine wachsende Bevölkerung zu ernähren, und gleichzeitig die mit dem Einsatz von Stickstoffdüngern verbundenen Probleme minimieren.
Alleine in Europa werden die Kosten der Stickstoffverschmutzung für die Umwelt und die menschliche Gesundheit auf 70 bis 320 Milliarden Euro pro Jahr geschätzt.
Stickstoffemissionen wie Ammoniak, Stickstoffoxid und Stickstoffoxide tragen zu Feinstaub und saurem Regen bei. Diese verursachen Atemwegsprobleme und Krebserkrankungen bei Menschen sowie Schäden an Wäldern und Gebäuden.
Stickstoffhaltige Gase spielen auch eine wichtige Rolle beim globalen Klimawandel. Distickstoffoxid ist ein besonders starkes Treibhausgas, da es die Wärme in der Atmosphäre mehr als 300-mal effektiver einfängt als Kohlendioxid.
Stickstoff aus Düngemitteln, Abwässern aus der Viehzucht und menschlichen Abwässern fördert das Wachstum von Algen und verursacht Wasserverschmutzung. Die geschätzte Schadenssumme von 8,2 Mrd. AUD für das Great Barrier Reef erinnert uns daran, dass unsere Entscheidungen auf dem Land große Auswirkungen auf das Land, das Wasser und die Luft flussabwärts haben.
Stickstoffverluste schaden auch den Landwirten, da sie das potenzielle Wachstum der Ernte beeinträchtigen oder Dünger verschwenden. Am stärksten betroffen sind Kleinbauern in Entwicklungsländern, für die Stickstoffdünger oft den größten Kostenfaktor in der Landwirtschaft darstellt. Der Produktionsrückgang durch den verlorenen Stickstoff kann bis zu 25 % des Haushaltseinkommens ausmachen.
Die Lösung des Stickstoffproblems muss aus einer Kombination von technologischer Innovation, politischen Maßnahmen und Verbraucheraktionen kommen.
Der wesentliche Bestandteil
Stickstoff ist ein wesentlicher Baustein für Aminosäuren, Proteine und DNA. Das Pflanzenwachstum hängt davon ab; Tiere und Menschen erhalten ihn durch den Verzehr von Pflanzen oder anderen Tieren.
Stickstoffgas (N₂) macht 78 % der Luft aus, kann aber von den Pflanzen nicht genutzt werden. Düngemittel werden in der Regel aus Ammoniak hergestellt, einer Stickstoffform, die von Pflanzen bevorzugt wird.
Ein Jahrhundert nach der Entwicklung des Haber-Bosch-Verfahrens, das die Herstellung von Stickstoffdünger ermöglichte, ist die Nachfrage nach Stickstoff immer noch ungebrochen.
Der Einsatz von Stickstoffdünger ist von 11 Millionen Tonnen im Jahr 1961 auf 108 Millionen Tonnen im Jahr 2014 gestiegen. Da der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre weiter ansteigt, werden einige Pflanzen wie Getreide wahrscheinlich auch mehr Stickstoff benötigen.
In der Tat macht Stickstoff aus Düngemitteln heute mehr als die Hälfte des Proteins in der menschlichen Ernährung aus. Dennoch gehen etwa 50 % des ausgebrachten Stickstoffs über das von den Feldern abfließende Wasser, tierische Abfälle und Gasemissionen aus dem Stoffwechsel der Bodenmikroben in die Umwelt verloren.
Diese Verluste haben im Laufe der Jahrzehnte mit dem zunehmenden Einsatz von Stickstoffdüngern zugenommen. Reaktiver Stickstoff verursacht weitreichende Schäden und wird noch mehr Schaden anrichten, wenn die Stickstoffverluste nicht eingedämmt werden.
Angesichts einer wachsenden Bevölkerung und eines sich verändernden Klimas müssen wir mehr denn je den Einsatz von Stickstoff optimieren und die Verluste minimieren.
Vom Bauernhof bis auf den Tisch
Eine Möglichkeit, unseren Stickstoffverbrauch zu verstehen, besteht darin, unseren Stickstoff-Fußabdruck zu betrachten – die Menge an Stickstoffverschmutzung, die durch Lebensmittel, Wohnungen, Transport, Waren und Dienstleistungen in die Umwelt gelangt.
Forschungen der Doktorandin Emma Liang von der University of Melbourne zeigen, dass Australien einen großen Stickstoff-Fußabdruck hat. Mit 47 kg Stickstoff pro Person und Jahr liegt Australien weit vor den USA, die auf 28 kg Stickstoff pro Person kommen.
Die Ursache für den großen Stickstoff-Fußabdruck Australiens ist offenbar eine Ernährung mit hohem Anteil tierischer Proteine. Der Verzehr von tierischen Produkten ist für 82 % des australischen Stickstoff-Fußabdrucks verantwortlich.
Tierische Produkte verursachen im Vergleich zu pflanzlichen Produkten hohe Stickstoffkosten. Beide Produkte beginnen mit den gleichen Stickstoffkosten, die durch den Anbau einer Pflanze entstehen, aber es kommt zu weiteren erheblichen Verlusten, wenn das Tier während seines Lebenszyklus Nahrung zu sich nimmt.
Das Projekt N-Footprint soll Einzelpersonen und Institutionen helfen, ihren Stickstoff-Fußabdruck zu berechnen. Es zeigt, wie jeder von uns durch seine täglichen Entscheidungen die Stickstoffverschmutzung beeinflussen kann.
Wir können uns für eine Ernährung entscheiden, die einen geringeren Stickstoff-Fußabdruck aufweist, z. B. Gemüse, Huhn und Meeresfrüchte anstelle von Rind- und Lammfleisch. Wir können uns dafür entscheiden, Lebensmittelabfälle zu reduzieren, indem wir kleinere Mengen einkaufen (und wenn nötig häufiger) und Lebensmittelabfälle kompostieren. Die gute Nachricht ist: Wenn wir unseren Stickstoff-Fußabdruck verringern, verringern wir auch unseren Kohlenstoff-Fußabdruck.
Zurück zum Bauernhof
In der Zwischenzeit müssen die Bemühungen um eine effizientere Nutzung von Stickstoff in den Betrieben fortgesetzt werden. Mit Hilfe mikrometrischer Verfahren können wir die Stickstoffverluste aus dem Boden immer besser verstehen.
Anstatt mit Plastikeimern, Glasfläschchen und Spritzen in der Sonne zu sitzen, verwenden die Wissenschaftler jetzt hohe Türme und Laser, um kleine Veränderungen der Gaskonzentrationen auf großen Flächen festzustellen und die Ergebnisse direkt an unsere Computer zu senden.
Wir wissen heute, dass die Nitrifikation (bei der Ammoniak in Nitrat umgewandelt wird) einen wichtigen Beitrag zu Stickstoffverlusten und damit zum Klimawandel und zur Schädigung von Ökosystemen leistet. Es ist ein Prozess, den Forscher – und Landwirte – gezielt einsetzen, um Stickstoffverluste zu verringern.
Inhibitoren der Nitrifikation werden heute kommerziell eingesetzt, um Stickstoff in der von Pflanzen bevorzugten Ammoniumform zu halten und die Anhäufung von Nitrat zu verhindern, das leichter an die Umwelt abgegeben werden kann.
Mit dem Fortschritt dieser Technologie beginnen wir, die Frage zu beantworten, wie sich diese Hemmstoffe auf die mikrobiellen Gemeinschaften auswirken, die die Gesundheit unseres Bodens aufrechterhalten und die Grundlage der Ökosysteme bilden.
Unsere Forschung zeigt beispielsweise, dass 3,4-Dimethylpyrazolphosphat (besser bekannt als DMPP) die Nitrifikation hemmt, ohne die Vielfalt der mikrobiellen Gemeinschaften im Boden zu beeinträchtigen.
Es gab auch interessante Beobachtungen, dass die Wurzelsysteme einiger tropischer Gräser die Nitrifikation hemmen. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Nitrifikationsrate in der Umwelt mit Hilfe genetischer Ansätze zu verlangsamen.
Die Lösung des Problems der Stickstoffverwendung erfordert die Erforschung effizienterer Möglichkeiten für die Primärproduzenten, Stickstoff zu nutzen, aber auch die Führung der Regierung und die Entscheidung der Verbraucher, weniger zu verschwenden oder mehr pflanzliches Eiweiß zu essen. Mit diesen Instrumenten werden die Argumente für einen Wandel klarer und die Aufgabe, die Welt grüner zu ernähren, leichter zu bewältigen sein.
Vom 4. bis 8. Dezember treffen sich führende internationale Forscher in Melbourne zur 7. internationalen Konferenz der Stickstoffinitiative, um die besten neuen Lösungen für Probleme bei der Stickstoffverwendung zu diskutieren. Einen tieferen Einblick in diese Themen erhalten Sie auf der INI2016-Website oder zusammen mit einer Reihe von Lebensmittel- und Produktionsexperten auf dem Good Food for 9 Billion: Community Forum.