Stickstoff-Kreislauf vor dem Schock

Wie es der Mensch geschafft hat, den Milliarden Jahre alten Stickstoff-Zyklus der Erde binnen 100 Jahren zu überlasten.

Stickstoff in seiner molekularen Form, als N2, ist chemisch sehr träge. Zwar besteht die Erdatmosphäre zu 78 Prozent aus diesem Gas, insgesamt enthält sie heute die Hälfte des gesamten Stickstoffvorrats unseres Planeten (die zweite Hälfte steckt in Erdmantel und -kruste). Doch nur die wenigsten Lebewesen sind in der Lage, die N₂-Moleküle daraus in einer Form aufzubereiten, die den Einbau in die Grundbausteine des Lebens erlaubt. Geschichtlich ist diese Fähigkeit zwar schon sehr alt: Sie entwickelte sich vor etwa 2,5 Milliarden Jahren, als Bakterien diesen Prozess starteten. Noch heute sind es vor allem Bakterien, die dafür zuständig sind - entweder allein oder in Symbiose mit manchen Pflanzenarten.

Wie wichtig der Prozess ist, erkennt man daran, dass immerhin - je nach Lebensform - für je 100 in die Biomasse integrierte Kohlenstoffatome zwischen zwei und 20 Stickstoffatome benötigt werden. Die Verfügbarkeit organisch bereits aufbereiteter Stickstoff-Komponenten ist deshalb heute ein begrenzender Faktor für die biologische Produktivität. Etwa der tausendste Teil des gesamten Stickstoffvorrats der Erde ist in solcher Form verfügbar, mehr als drei Viertel davon ist in den Weltmeeren in Nitratform gespeichert. Umso wichtiger war die Entwicklung der Ammoniak-Synthese zu Anfang des 20. Jahrhunderts durch Carl Bosch und Fritz Haber, die enorme Produktivitätssteigerungen in der Landwirtschaft ermöglichte.

Allerdings leitete die Stickstoffdüngung auch im Stickstoffkreislauf der Erde eine neue Phase ein - ein Thema, dem Chemiker in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science einen Artikel widmen. Allein zwischen 1960 und 2000 ist die Zufuhr von Stickstoff durch Düngung um etwa 800 Prozent gestiegen - zur Hälfte für die weltweite Produktion von Weizen, Reis und Mais. Allerdings ist die Effizienz hierbei sehr bescheiden, sie liegt selten über 40 Prozent - der Rest des Stickstoffs wird über kurz oder lang in Flüsse und Seen ausgewaschen.

Hier führt die Überdüngung letztlich zum Gegenteil des erwünschten Effekts - der Wachstumsschub der Mikroorganismen hat eine Unterversorgung mit Sauerstoff und schließlich ganze Todeszonen an den Küsten zur Folge. Unter anoxischen Bedingungen werden die Stickstoffkomponenten jedoch nicht nur zu N₂, sondern auch zu N₂O abgebaut, das etwa 300 Mal klimaschädigender als CO₂ ist und zudem die Ozonschicht in der Stratosphäre angreift.

Der menschliche Einfluss auf den Stickstoffkreislauf beschränkt sich allerdings nicht auf die Düngung. Die Nutzung fossiler Brennstoffe trägt noch einmal ein Viertel des von der Düngung verursachten Stickstoff-Überschusses bei. Insgesamt kommt der Mensch damit mittlerweile jährlich auf etwa 45 Prozent des insgesamt auf der Erde produzierten gebundenen Stickstoffs. Wohin führt das alles? Wie die Geschichte zeigt, hatte der Stickstoffkreislauf der Erde schon viele Gleichgewichtspunkte.

Auch diesmal, davon gehen die Autoren ganz nüchtern aus, wird ein vor allem von den Mikroorganismen getriebener Feedback-Mechanismus über mehrere Dekaden zu einem neuen Gleichgewicht führen. Allerdings ist es zu früh, den vermutlichen Stand dieser Balance zu prognostizieren. Vor allem das Bevölkerungswachstum bis 2050 wird den Bedarf an Düngung in der Landwirtschaft weiter erhöhen - und verstärkt Stickstoffkomponenten in Küstenregionen tragen, mit den bekannten Folgen.

Gefallen uns diese Konsequenzen nicht, müssen wir wohl oder übel die bisherige Praxis ändern - und auch dafür haben die Forscher ein paar Vorschläge. Zum ersten würde ein konsequenterer Wechsel der Anbaufolge in der Landwirtschaft helfen: Statt extensiv zu düngen, kann man den Boden auch durch entsprechende Pflanzenarten mit Stickstoff anreichern. Zum zweiten sollte sich die gegenwärtige Effizienz der Düngung deutlich erhöhen lassen, indem man die Nährstoffe nach Zeit und Menge passender ausbringt. Als dritten Punkt schlagen die Wissenschaftler vor, gezielt Pflanzen zu züchten, die Stickstoff effizienter verwerten. Und schließlich sollte es auch möglich sein, die endosymbiotischen Fähigkeiten zur N₂-Aufbereitung gentechnisch oder traditionell züchterisch auf zur Ernährung nutzbare Getreidearten zu übertragen.