Bremen

Kein Leben ohne Phosphor

Zu den chemischen Elementen, die für das Leben eine herausragende Rolle spielen, gehört Phosphor. Phosphate – phosphorhaltige Verbindungen – sind unter anderem wesentliche Bestandteile des Erbgutträgers DNA (Desoxyribonukleinsäure), von Zellmembranen und Skelettmaterialien.
03.01.2017, 00:00
Lesedauer: 6 Min
Zur Merkliste
Von Andreas Lorenz-Meyer
Kein Leben ohne Phosphor

Wie für andere Lebewesen, so ist Phosphor auch für Pflanzen unentbehrlich. Sie nehmen ihn aus dem Boden auf. Weil das lebenswichtige Element unersetzbar ist, suchen Forscher nach Wegen, möglichst sparsam damit umzugehen.

Jan-Philipp Strobel, picture alliance / dpa

Zu den chemischen Elementen, die für das Leben eine herausragende Rolle spielen, gehört Phosphor. Phosphate – phosphorhaltige Verbindungen – sind unter anderem wesentliche Bestandteile des Erbgutträgers DNA (Desoxyribonukleinsäure), von Zellmembranen und Skelettmaterialien. Sie sind von großer Bedeutung für die Umsetzung von Energie in lebenden Zellen und für den Aufbau der Knochen und des Zahnschmelzes. Für Pflanzen ist Phosphor ebenso wichtig wie Stickstoff. Sie nehmen über ihre Wurzeln aus dem Boden stickstoffhaltige Verbindungen wie Nitrate auf. Auch andere Nährstoffe wie Phosphor und Kalium stammen aus dem Boden. Um einen Mangel an Nährstoffen im Boden auszugleichen und das Pflanzenwachstum zu fördern, werden Düngemittel eingesetzt, das heißt: Die globale Landwirtschaft ist auf Phosphor angewiesen. Weil er unersetzbar ist, kommt immer wieder die Frage auf, wie lange die Vorräte auf der Erde noch reichen werden.

Phosphatdüngemittel werden zum Großteil aus dem mineralischen Rohstoff Phosphat hergestellt, der weltweit aus Lagerstätten von unterschiedlicher Größe und Qualität gewonnen wird. Die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe sieht für die Erschöpfung der globalen Vorkommen allerdings noch keine Anhaltspunkte. Für das Jahr 2012 wurden die Reserven der Erde mit schätzungsweise 67 Milliarden Tonnen angegeben; im Jahr 2010 betrug die Jahresförderung 54 Millionen Tonnen. Wenn die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe mit ihrer Einschätzung richtig liegt, lässt sich allein mit den derzeit wirtschaftlich abbaubaren Vorkommen der Bedarf der Landwirtschaft noch mehr als drei Jahrhunderte decken.

Ungleich verteilte Vorkommen

Phosphor ist zwar global betrachtet noch nicht knapp, aber die Vorkommen sind sehr ungleich verteilt. Inga Krämer vom Leibniz-Wissenschaftscampus Phosphorforschung Rostock erklärte dazu: „Bei uns in Europa könnte es in Zukunft zu Engpässen kommen, da wir keine größeren Phosphatlagerstätten haben.“ Diese befinden sich ausnahmslos außerhalb von Europa, in Marokko, Syrien, in den USA, China oder Südafrika. Zum Teil sind es sehr instabile Regionen, etwa die von Marokko besetzte Westsahara. Es könnte also geopolitische Verteilungsprobleme geben. Zudem besteht die Gefahr, dass sich die Phosphorqualität verschlechtert, falls das Gestein stärker mit Schwermetallen, Cadmium oder Uran belastet ist. Die qualitativ besseren Vorkommen werden meist zuerst abgebaut.

Ende der Verschwendung

Möglich ist auch, dass Phosphor teurer wird. 2007/08 gab es kurzzeitig enorme Preisanstiege von 200 Prozent. „Durch solche Veränderungen auf dem Weltmarkt wird Phosphor unzugänglicher für Länder ohne eigene Reserven. Daher sollten diese vorsorgen und sich um einen nachhaltigen Umgang mit der Ressource bemühen“, sagte Inga Krämer. In der Vergangenheit wurde Phosphor sehr großzügig verteilt, denn der Phosphatdünger war billig. Die Zeiten der Verschwendung sollen jetzt aber vorbei sein. Auf europäischer Ebene wurde die „European Sustainable Phosphorus Platform“ gegründet. Die Phosphor-Strategie stützt sich auf drei Säulen: Effizienz, Suffizienz, Recycling.

Hinter dem Begriff Effizienz verbirgt sich die Tatsache, dass sich der Düngerbedarf der Landwirtschaft durch die Züchtung von Pflanzen und Tieren, die Phosphor besser aufnehmen, senken ließe. In Rostock untersuchen die Forscher unter anderem Kartoffelgenotypen auf ihre Nutzungseffizienz. Auch Mischfruchtanbausysteme werden getestet. Bestimmte Mischfrüchte verbessern die Phosphoraufnahme der angebauten Frucht. Eine Möglichkeit besteht zum Beispiel darin, Mais mit Leguminosen zu ergänzen.

Angestrebt wird darüber hinaus, Phosphor grundsätzlich sparsamer einzusetzen, etwa durch Präzisionsdüngung. Suffizienz lautet das Stichwort, das seit einigen Jahren auch in anderen Zusammenhängen zu hören ist. Der Begriff geht auf ein lateinisches Wort für genügen oder ausreichen zurück. Hinter der Betonung der Suffizienz steckt die Erkenntnis, dass Effizienz allein nicht ausreicht, um eine nachhaltige Entwicklung zu erreichen. Forschern ist es zwar gelungen, effizientere Technologien zu entwickeln, etwa sparsamere Motoren, die weniger Schadstoffe freisetzen, aber der Ressourcenbedarf wächst dennoch weiter. Wenn mehr Menschen mehr Auto fahren oder konsumieren, können die Effizienzsteigerungen nicht die erhoffte Wirkung erzielen.

Die dritte Säule der Phosphor-Strategie ist das Recycling. „Phosphor löst sich ja nicht in Luft auf, sondern wird nur verteilt und schlussendlich wieder in den Ökosystemen, vor allem in Gewässern, abgelagert“, erläuterte Inga Krämer. In Düngemitteln enthaltene Stoffe wie Stickstoff und Phosphor kommen nicht nur den Pflanzen zugute, sondern können auch in Flüsse und Meere gelangen und dort zu Problemen führen. Ein oft in diesem Zusammenhang zu hörender Begriff lautet Eutrophierung. Dahinter verbirgt sich ein Überangebot an Nährstoffen, das dazu führt, dass sich zum Beispiel Algen besonders gut entwickeln können. Auch Lebewesen, die sich von ihnen ernähren, profitieren zunächst von der Entwicklung. Dann aber gerät das System aus dem Gleichgewicht, das heißt: Das Gewässer kippt um. Die vielen Überreste von Lebewesen haben zur Folge, dass Mikroorganismen wie Bakterien besonders viel organisches Material abbauen müssen. Dabei verbrauchen sie jedoch Sauerstoff, der nun anderen Lebewesen fehlt. Eine mögliche Folge ist ein Fischsterben.

Rückgewinnung wird schwierig

Auch mit Blick auf die möglichst sparsame Nutzung von Phosphor ist die Ablagerung in Ökosystemen von Nachteil. Der Grund: Der lebenswichtige Stoff ist dort so fein verteilt, dass eine Rückgewinnung schwierig wird und erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt hätte.

Wissenschaftler suchen schon länger nach Möglichkeiten, Phosphor besser in den Nutzungskreislauf zurückzuführen. Recyceln lässt er sich aus Schlachtabfällen, Gärresten von Biogasanlagen oder Klärschlammasche. Um diese ging es beim von der Europäischen Union geförderten Forschungsprojekt Reco Phos. Hier wurde ein thermisches Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlammasche erprobt. Institute aus Deutschland, der Schweiz, Frankreich und Österreich waren beteiligt.

Was bei dem Verfahren genau passiert, erklärte Christoph Ponak vom Lehrstuhl für Thermoprozesstechnik der Montanuniversität Leoben, dem koordinierenden Institut, so: Ein spezieller Reaktor, der mit einer Graphitschüttung gefüllt ist, wird induktiv beheizt. Induktiv bedeutet, dass das Graphit, welches elektrisch leitfähig ist, durch in ihm erzeugte Wirbelstromverluste erwärmt wird. Die Wärme entsteht dabei im Graphit selbst; es braucht keine Wärmeleitung. An der Oberfläche des Graphits reagiert die geschmolzene Klärschlammasche. „Dabei wird elementarer, also reiner Phosphor als Gas freigesetzt“, so Ponak. Es folgt eine Nachverbrennung, anschließend wird das gasförmige Phosphor in flüssige Phosphorsäure umgewandelt.

Erfolgreiches Recyclingverfahren

Mit dem Verfahren ist es möglich, mehr als 90 Prozent des Phosphors in der Klärschlammasche zu recyceln. Wie viel Phosphor die Asche enthält, hängt von ihrer Herkunft ab. Gewöhnlich sind es etwa acht Prozent. Der wiedergewonnene Phosphor lässt sich praktisch ohne Einschränkungen verwenden, unter anderem zur Düngemittelherstellung. Das Forschungsprojekt ist mittlerweile abgeschlossen. Ponak: „Das Verfahren funktioniert.“

Eine Recycling-Technologie im großen Maßstab setze allerdings erhebliche Anstrengungen in Forschung, Wirtschaft und Politik voraus, sagte Inga Krämer. Der Aufwand würde sich lohnen, wenn Phosphor-Recycling die Phosphor-Importe – in Deutschland ungefähr 100 000 Tonnen im Jahr – weitgehend ersetzen könnte. Der Prozess ließe sich auch noch vereinfachen, indem Phosphor gleich aus dem menschlichen Urin gewonnen würde. Letztlich geht auch der Phosphor im Klärschlamm auf menschliche Ausscheidungen zurück, nur über den Umweg der Abwasserbehandlung. Im Urin liegt er in viel höheren Konzentrationen vor als im Abwasser. Schweizer Forscher haben in Südafrika spezielle Trenntoiletten aufgestellt. Der Urin wird dort vom Kot separiert, gesammelt und zu Recyclinganlagen gefahren. Aus 1000 Litern Urin werden etwa 30 Liter Flüssigdünger gewonnen.

Große Aufgaben

Schon einige wenige Zahlen genügen, um die Bedeutung des Pflanzenwachstums beziehungsweise der landwirtschaftlichen Nahrungsmittelproduktion und damit auch der Düngemittel zu veranschaulichen. Mehr als sieben Milliarden Menschen leben zurzeit auf der Erde. Im Jahr 2050 werden es nach Schätzungen von Fachleuten rund neun Milliarden sein. Sie alle müssen versorgt werden – nicht nur mit Nahrungs-, sondern auch mit Arzneimitteln, Energie und manchem mehr.

Seit jeher ist es bei den Fortschritten der Landwirtschaft letztlich darum gegangen, immer mehr Menschen ernähren zu können. In Deutschland deckte noch zu Beginn des 20. Jahrhunderts ein Landwirt den Nahrungsbedarf von vier Menschen; heute sind es nach Angaben des Umweltbundesamtes mehr als 140. Auf knapp 20 Prozent der landwirtschaftlich genutzten Fläche würden hierzulande Lebensmittel angebaut.

Als neue Herausforderung betrachten manche Wissenschaftler neben der Geschwindigkeit des Bevölkerungswachstums auch den Klimawandel. Die landwirtschaftliche Produktion, so heißt es, werde in den kommenden Jahrzehnten sicher an ihre Grenzen getrieben. Verbesserte gentechnische und mikrobiologische Verfahren lieferten rascher neue Ansätze und eine neue Generation von Pflanzen. Seit im Jahr 2000 das erste Pflanzengenom vollständig entziffert worden sei, so erklären Wissenschaftler, sei die Menge gewonnener Erbgutdaten immens angewachsen. Zu den Folgen gehöre, dass rascher neu selektierte Pflanzenzüchtungen auf den Markt kämen. Parallel dazu hätten sich die Möglichkeiten verbessert, das Wachstum von Pflanzen und ihre Nährstoffaufnahme in großem Maßstab über Sensoren oder via Satellit zu erfassen.

Jetzt sichern: Wir schenken Ihnen 1 Monat WK+!
Mehr zum Thema
Lesermeinungen

Das könnte Sie auch interessieren

Das Beste mit WK+