Stickstoff, Phosphor & die Nährstoffkreisläufe

1909 fand der deutsche Chemiker Fritz Haber einen Weg, Luftstickstoff (N₂) unter hoher Temperatur und hohem Druck mit Wasserstoff zu Ammoniak (NH₃) zu verbinden. Chemisch ist das kein leichtes Stück: N₂ zählt mit seiner Dreifachbindung zu den stabilsten Molekülen des Universums, und seine Fixierung verlangt nahezu 400 °C und 200 Atmosphären. Bis 1913 brachte Carl Bosch das Verfahren bei der BASF in den industriellen Maßstab. Heute schluckt das Haber-Bosch-Verfahren rund 1–2 % des weltweiten Energieverbrauchs und liefert etwa 150 Millionen Tonnen fixierten Stickstoff im Jahr — womit es den aktiven Stickstofffluss des Planeten in etwa verdoppelt. Etwa die Hälfte des Stickstoffs im Eiweiß jedes lebenden Menschen hat diesen industriellen Prozess durchlaufen. Rund die Hälfte der heute lebenden Menschen gäbe es ohne ihn nicht. Die kanonische Darstellung stammt von Vaclav Smil: Enriching the Earth (2001). Kein Verfahren der industriellen Chemie hat das zwanzigste Jahrhundert stärker geprägt, und kaum ein menschlicher Eingriff hat einen planetaren biogeochemischen Kreislauf so tief verändert.

Stickstoff ist der Nährstoff, der terrestrische Ökosysteme am häufigsten begrenzt. Pflanzen und die meisten anderen Organismen können Luftstickstoff nicht direkt verwerten; sie brauchen fixierten Stickstoff, als Ammoniak, als Nitrat oder in organischen Verbindungen. Vor dem Menschen bestimmten natürliche Quellen die Bilanz: Die biologische Fixierung durch Rhizobium und andere Bakterien steuerte vielleicht 200 Mt fixierten Stickstoff im Jahr bei, die Denitrifikation durch anaerobe Bakterien schloss den Kreis. Die anthropogene Fixierung — Haber-Bosch-Ammoniak plus das NOₓ, das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe nebenbei anfällt — hat den aktiven Fluss ungefähr verdoppelt. Dieser verdoppelte Stickstoff läuft durch die Landwirtschaft (Dünger → Feldfrucht → Nahrung → Abwasser → Fluss → Meer) und durch Pfade, die niemand vorgesehen hat: NOₓ wird zu saurem Regen, Nitrat sickert ins Grundwasser, Abschwemmungen füttern Algenblüten vor den Küsten. Der zweite begrenzende Nährstoff, Phosphor, ist chemisch schlichter — keine atmosphärische Phase, unter Umgebungsbedingungen keine gasförmige Form. Auf geologischen Zeitskalen ist der Phosphorkreislauf verwitterungsbegrenzt; heute wird Phosphatgestein (Apatit) abgebaut und zu Dünger verarbeitet. Die Weltreserven an Phosphat sind endlich, rund 70 % davon liegen in Marokko und der Westsahara. Cordell et al. brachten 2009 die Debatte um Peak Phosphorus auf; kurzfristig erschöpfen sich die Reserven nicht, doch die strategische Konzentration des Angebots ist real, und die EU führt Phosphatgestein seit 2014 auf ihrer Liste der Critical Raw Materials. Der Rahmen der planetaren Grenzen um Rockström zählt die biogeochemischen Flüsse (N und P zusammen) zu den neun Grenzen, innerhalb deren das Erdsystem verträglich bleibt — und zu denen, die bereits überschritten sind. Als sicher gilt ein Stickstofffluss von rund 62 Mt im Jahr, heute sind es über 150; für Phosphor rund 6,2 Mt gegen rund 14. Das Argument lautet: Die Summe der Belastungen — Eutrophierung der Küstengewässer, saure Deposition auf den Landökosystemen, Bodenversauerung — destabilisiert qualitativ gegenüber dem holozänen Ausgangszustand.