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WIE UND WARUM : Natürliche Kreisläufe und produktive Sanitärsysteme

Natürliche Kreisläufe

Problematik

Die Zufuhr von Stickstoff und Phosphat als Dünger für die Landwirtschaft führt im Boden zu einem Überfluss, der von Niederschlägen abgewaschen wird und in Gewässer und Grundwasser gelangt. Auch Kläranlagen leiten ein Teil der Phosphate und Nitrate, deren Ursprung unsere Toiletten sind, in oberflächliche Gewässer. Ein anderer Teil wird in Form von Klärschlamm zu mehr als die Hälfte verbrannt (1).

Im Gewässer führt dieser Überfluss an Pflanzennährstoffen zur Eutrophierung. Der aktuelle Grenzwert für Nitrate (NO3) in Trinkwasser liegt laut der deutschen Trinkwasserverordnung bei 50 mg/l, nach der schweizerischen Gewässerschutzverordnung bei 25 mg/l. Im Grundwasser, Quelle zu rund 74 % für unser Trinkwasser, wird dieser Wert an vielen Stellen überschritten.

Auf der anderen Seite sind Stickstoff und Phosphor wichtige pflanzliche Nährstoffe und für die Landwirtschaft unabdingbar. Es ist es daher wichtig, den natürlichen Kreislauf dieser lebensnotwendigen Elemente zu kennen.

Ökologen bezeichnen die mehr oder weniger kreisförmigen Wege, über die chemische Elemente zwischen Organismen und Umwelt ausgetauscht werden, als biogeochemische Kreisläufe, wobei sich "bio" auf die lebenden Organismen bezieht und "geo" auf das Gestein, den Boden, die Luft und das Wasser der Erde. [Odum 1991]

Bei Betrachtung der natürlichen Kreisläufe und unseres Umgangs mit diesen biogeochemischen Stoffen, die die Basis für unser Leben bilden, fällt ein großes Optimierungspotenzial auf.

Es ist einfacher die drei Kreisläufe isoliert zu betrachten, auch wenn sie in Wirklichkeit verbunden sind.

Stickstoffkreislauf | Wasserkreislauf | Phosphatkreislauf

Stickstoff

Vorkommende Formen

  • N2: Stickstoff ist mit 78 % der Hauptbestandteil der Luft. In der Erdkruste kommt anorganisch gebundener Stickstoff selten vor; von Bedeutung ist er nur in Salpetervorkommen.
  • NO3: Nitrate
  • N2O: Distickstoffoxid
  • NH3: Ammoniak
  • Salpeter: Trivialname einiger häufig vorkommender Nitrate.
  • NOx: Stickstoffoxide, kurz Stickoxide, kommen in der Luft in mehreren Formen vor, zum Beispiel als Stickstoffdioxid (NO2) oder als Distickstoffmonoxid (N2O).

Der Kreislauf des Stickstoffs

Sticksoff-Kreisläufe

Stickstoffkreislauf in der Biosphäre. Quelle: [Demuth 1992]


Stickstoff ist für Lebewesen ein wichtiges Element, vor allem als Aminosäuren, Bausteine für die Proteine und die DNA, in den Lebewesen präsent.
Aufbau und Abbau der Stickstoffverbindungen sind in einem Kreislauf eingebunden, der im Wesentlichen geschlossen ist.

Vom Boden zu den Lebewesen

Alle tierischen oder pflanzlichen Organismen enthalten Stickstoff in Form von Eiweißverbindungen. Bausteine dafür sind verschiedene Aminosäuren.
Menschen und Tiere können Stickstoff nur über ihre Nahrung aufnehmen. Die Pflanzen stellen die von ihnen benötigten Aminosäuren durch die Aufnahme von Ammoniak (NH3) oder Nitraten (NO3) über ihre Wurzeln selbst her und bilden damit Blätter und Früchte.
Der Stickstoff macht massenmäßig den größten Anteil aller Nährstoffe aus.

Von den Lebewesen zum Boden: die Nitrifikation

Stickstoff gelangt in den Boden durch die abbauende Tätigkeit der Destruenten aus stickstoffhaltigen organischen Abfällen. Das aus abgestorbener Biomasse durch Destruenten frei gesetzte Ammoniak wird wieder in Nitrat überführt und steht so den Pflanzen als stickstoffhaltiger Mineralnährstoff zur Verfügung. (2)

Als Nitrifikation bezeichnet man die bakterielle Oxidation von Ammoniak (NH3) zu Nitrat (NO3). Sie besteht aus zwei gekoppelten Teilprozessen: im ersten Teil wird Ammoniak zu Nitrit oxidiert, das im zweiten Teilprozess zu Nitrat oxidiert wird.

Die in abgestorbenen Pflanzen und den Exkrementen von Tieren und Menschen enthaltenen Stickstoffverbindungen werden wiederum von Bakterien zu Ammoniak (NH3) beziehungsweise Ammonium-Ionen (NH4) abgebaut und anschließend von anderen Bakterienstämmen zu Nitrit- beziehungsweise Nitrat-Ionen oxidiert. [Demuth 1992]

Auch in Gewässern ist die Nitrifikation ein wichtiger Teil der Selbstreinigung, da Ammoniak für Fische schon in geringen Konzentrationen giftig ist.

Vom Boden in die Atmosphäre: die Denitrifikation

Durch Denitrifikationsprozesse wird letztlich Stickstoff in die Luft freigesetzt.

Von der Atmosphäre in den Boden

Vom Boden ins Wasser

Dem Boden geht viel Stickstoff verloren, indem das Nitrat leicht vom durchsickernden Wasser ausgewaschen wird und in Bäche, Flüsse, Seen und Meere, wo es zur Eutrophierung der Ökosysteme führt oder in das Grundwasser gelangt.

Im Trinkwasser kann Nitrat zu einer Gefahr für die Gesundheit der Menschen werden. Die gesetzliche Obergrenze im Trinkwasser beträgt in Deutschland 50 mg/l, sie wird aber an vielen Orten mit Intensivkulturen erheblich überschritten.

Die Aufbringung von Stickstoffdüngern hilft die Erträge auf eine bestimmte Fläche zu erhöhen, aber die Qualität der Produkte wird schlechter, da sie viel mehr Wasser enthalten.

Wasser

Der Kreislauf des Wassers

Durch die Energie der Sonne wird eine Aufwärtsbewegung des Wasser angetrieben: über den Ozeanen verdunstet mehr Wasser als über Niederschläge wieder eingebracht wird, umgekehrt über Landoberfläche.

Die Pflanzen des Festlandes wirken mit, das Wasser dem Boden zu entziehen und über die Transpiration als Wasserdampf in die Atmosphäre abzugeben. Sie wirken quasi als Pumpen im Wasserkreislauf. [Kalusche 1999]
Wasser-Kreisläufe

Der Kreislauf des Wassers. Quelle: [Demuth 1992]



Laut Schätzungen fließen 20 % der Niederschläge über der Landoberfläche in das Meer ab, während 80 % die Oberflächen- und Grundwasservorräte füllen. Durch Versieglung der Erdoberfläche, Entwässerung der Sümpfe und Rodung der Wälder erhöht der Mensch den Anteil des abfließenden Wassers.

Rund 74 % des Trinkwasseraufkommens in Deutschland wird aus dem Grundwasser entnommen.

Theoretisch ist die Menge an Wasser ausreichend. In der Praxis, wenn mehr Wasser verbraucht wird als in den Kreislauf zugeführt, können Knappheiten vorkommen.

Phosphat

Phosphor (P) gehört zu den wichtigsten Elementen der Biosphäre, da er von allen Organismen für fundamentale Lebensprozesse benötigt wird.

Die geologischen Lagerstätten liefern Ausgangsmaterial für Phosphatdünger, die landwirtschaftlich bewirtschafteten Flächen zur Produktionserhöhung zugeführt werden.

Phosphat (PO43-) stammt primär aus der Verwitterung von P-haltigen Gesteinen (Apatit). Die Hauptvorkommen liegen im nördlichen Afrika (Marokko, Westsahara), Florida, Russland (Kola-Halbinsel), Südafrika und China. Aus Vogelkot, Knochen und anderem organischen Material wird ebenfalls Phosphat freigesetzt. (2)

Über den Niederschlag wird vielen Ökosystemen Phosphat zugeführt.

Man geht davon aus, dass die zur Düngerproduktion nutzbaren Phosphatlagerstätten früher erschöpft sein werden als die weltweiten Erdölvorkommen.

In Ökosystemen angelangt wird Phosphat von Pflanzen aufgenommen. Aus dem pflanzlichen und tierischen Bestandsabfall gelangt er wieder in den verfügbaren PO43- Vorrat zurück.

Von dem zum menschlichen Konsum bestimmten organischen Material gelangt ein Teil in Form von Kompost wieder in Landökosysteme, ein Teil wird als Müll beseitigt, ein Teil gelangt nach Verzehr ins Abwasser und wird einer Kläranlage zugeführt. Beim konventionellen Betrieb gelangt das mineralisierte PO43- zum großen Teil ins Gewässer und vergrößert dort den Vorrat an Pflanzennährstoffen und wirkt somit eutrophierend.

Grundsätzlich kann PO43- in Kläranlagen chemisch gefällt und damit dem Kreislauf entzogen werden.

Mineralische vs. organische Düngung

Mineralstoffverluste müssen durch Düngung ausgeglichen werden. Das gilt insbesondere auf Feldern und Wiesen, wo - im Verhältnis zum Wald - relativ viel krautige Biomasse dem Ökosystem entzogen wird. Bei der Düngung müssen zwei grundsätzliche Typen unterschieden werden:

Mineralische Düngung ("Kunstdünger", "Handelsdünger"): Sie gibt den Pflanzen die sofort aufnehmbaren, wasserlöslichen Mineralsalze. Allerdings können diese auch ebenso schnell durch das Wasser aus dem Boden ausgewaschen werden.

Organische Düngung ("Wirtschaftsdünger", Stallmist, Gülle, Hornmehl u. a.): Sie verbessert zunächst die Ernährungslage der Destruenten und mineralisierenden Organismen im Boden, die die für Pflanzen verfügbaren Mineralsalze erst freisetzen müssen. Dadurch wirkt die Düngung mit organischen Substanzen langsamer, hält aber auch länger vor als die mineralische Düngung. Ferner wird durch die Tätigkeit des reichlich vorhandenen Bodenlebens die Struktur des Bodens verbessert.

Weil die natürliche Humusbildung normalerweise sehr langsam abläuft, setzt der Mensch künstlich Nährstoffe ein, um mehr ernten zu können. Mist und Jauche müssen erst langsam von Bakterien aufgeschlossen werden, bis die Nährstoffe von der Pflanze genutzt werden können. Der leichter lösliche "Kunstdünger" - Mineraldünger, der in industriellen Prozessen aus der Luft gewonnen werden kann - steht der Pflanze zwar sofort zur Verfügung wird aber sehr leicht ausgewaschen. Er belastet dann, zusammen mit andern Nährstoffen, wegen übermäßigen Wachstums der nicht abbaubaren Vegetation den Sauerstoffhaushalt der Gewässer sowie gebietsweise den Wasserhaushalt der Landökosysteme.
[Kalusche 1999]

Wenn die Kreisläufe durch den Mensch durcheinander kommen: Wasserverschmutzung und Zerstörung der Biomasse

Durch das System der Toiletten mit Spülung gelangen Stickstoff und Phosphate ins Wasser, das als Transportmittel der Fäkalien bis in die Kläranlage benutzt wird. Dort kann Wasser nicht komplett gereinigt werden und das «geklärte» Wasser, das letztendlich in Vorfluter geleitet wird, enthält Nitrate, Phosphate und Medikamentreste. Dies trägt zu zunehmender Eutrophierung bei.

Wenn auf der einen Seite Klärschlamm zur Hälfte verbrannt wird, wird auf der anderen Seite Stickstoff mit hohem Aufwand hergestellt und Phosphat - eine nicht unendliche Ressource - für ihre Anwendung in der Landwirtschaft abgebaut.

In einigen Regionen ist Grundwasser mit Nitraten vergiftet und dadurch zum Trinken und Kochen nicht geeignet.

Eine Handlung ohne Berücksichtigung der natürlichen Kreisläufe bringt die Ökosysteme ins Ungleichgewicht.

Eutrophierung: Wenn das Wasser "umkippt"

Unter Eutrophierung versteht man die Überdüngung, das heißt die übermäßige Belastung von Gewässern mit Pflanzennährstoffen und die daraus resultierende Verschlechterung der Wasserqualität.

Die wichtigsten Pflanzennährstoffe sind Nitrate und Phosphate. Große Mengen dieser Stoffe verursachen eine starke Vermehrung von Algen und anderen Wasserpflanzen. Die abgestorbenen Pflanzen sinken auf den Boden und werden dort von Bakterien unter Sauerstoffverbrauch abgebaut. Im Extremfall kann daher, insbesondere in tieferen Schichten, der Sauerstoff vollständig verbraucht sein. Dadurch wird Fischen und anderen Wassertieren die Lebensgrundlage entzogen: die Region "kippt um" und wird zum toten Gewässer. Gleichzeitig wird der biologische Abbau der organischen Abfälle verändert: der normale Abbau mit Hilfe von Sauerstoff ist nicht mehr möglich. Hier werden nun anaerob arbeitende Bakterien tätig, Fäulnisprozesse gewinnen die Oberhand und verwandeln den Boden des Gewässers in eine übelriechende Region. Schuld an diesem Geruch ist vor allem das giftige Schwefelwasserstoffgas, das neben Methan bei solchen Fäulnisprozessen gebildet wird.
[Demuth 1992]
Strand an der Bretagne

Grüne Algen auf den Stränden in der Bretagne.
Quelle: Libération (4)


Folge der Eutrophierung: nach dem Tod mehrerer Wildschweine im Juli 2011 in der Bretagne wurden mehrere Strände abgesperrt.

 

Verteilung der Nitratgehalte im EUA-Grundwassermessnetz* (2008)

*Für eine regelmäßige Berichterstattung an die Europäische Umweltagentur über den Zustand des Grundwassers in Deutschland wurden von den Ländern repräsentative Messstellen ausgewählt und zum so genannten EUA-Grundwassermessnetz zusammengefasst. (3)

Nitratgehalt im Grundwasser

Verteilung der Nitratgehalte im EUA-Grundwassermessnetz (2008)
Quelle: Umweltbundesamt 2010 nach Angaben der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) (3)

Fachliche Bewertung
49,2 % aller Messstellen des EUA-Messnetzes zeigen Nitratkonzentrationen zwischen 0 und 10 mg/l und sind damit nicht oder nur geringfügig belastet. Bei 36,1 % der Messstellen liegt der Nitratgehalt zwischen 10 und 50 mg/l. Diese Messstellen sind deutlich bis stark durch Nitrat belastet. Die übrigen 14,7 % der Messstellen sind so stark durch Nitrat belastet, dass sie nicht ohne weiteres zur Trinkwassergewinnung genutzt werden können, da der Grenzwert der Trinkwasserverordnung von 50 mg/l zum Teil erheblich überschritten wird. Nach der Wasserrahmenrichtlinie wäre das Grundwasser hier in einem schlechten Zustand und Maßnahmen zur Verbesserung der Grundwasserbeschaffenheit wären erforderlich.
Quelle: Umweltbundesamt (3)

Der Mensch in den Kreisläufen

menschliche Ausscheidung

Die Masse der täglichen menschlichen Ausscheidungen entspricht umgerechnet 1,5 g Phosphor und 12 g Stickstoff. Hiermit können sich im Gewässer 170 g Algentrockenmasse oder etwa 1,7 kg frisches Algenmaterial bilden. Diese verbrauchen, wenn sie von den Zersetzern (Bakterien, Pilze) abgebaut und oxidiert werden, 215 g Sauerstoff; dabei werden die Nährstoffe wieder frei und stehen für eine neue Produktion zur Verfügung. Die täglich von einem erwachsenen Menschen mit dem Abwasser in die Vorfluter eingeleiteten körperlichen Ausscheidungen verbrauchen bei normalen biologischem Abbau 60 g, zur vollständigen Oxidation aber annähernd 80 g Sauerstoff. Beim biologischen Abbau dieser Substanzen werden die Pflanzennährstoffe Phosphor und Stickstoff in mineralisierter Form freigesetzt.
Quelle: Wasser Wissen, das Internetportal für Wasser und Abwasser (5)

Durch den Einsatz von Trockentoilettensystemen gelangt durch die Kompostierung alles zurück zur Erde, was sie uns gegeben hat. Sie wird wieder ernährt und kann uns ernähren.

Wasser wird nicht verschmutzt und bleibt für die Menschen trinkbar.

Es ist sinnvoller und leichter, Verschmutzungen vom Wasser fernzuhalten, als verschmutztes Wasser erst wieder durch aufwendige Maßnahmen zu reinigen, um es verwenden zu können.

Diese Frage hängt natürlich sehr eng mit der Landwirtschaft zusammen, die für die erhaltung der Ökosysteme und des Wasser die größte Verantwortung trägt.

Bei den Phosphaten wird die Einrichtung einer Phosphateliminierung in den Kläranlagen weitere Entlastung bringen. Die Einträge aus der Landwirtschaft werden sich ohne eine Abkehr von Produktionsweisen nicht reduzieren lassen, die mit industrieller Produktion vergleichbar auf möglichst kleiner Fläche eine maschinengerechte, höchsteffiziente, einseitige Massenproduktion ermöglicht.

Auch bei der Limitierung der Nitrateinträge in Böden, Pflanzen und Wasser ist die Frage entscheidend, welche Art der Bewirtschaftung unseres Landes wir unterstützen. Auch hier ist die Landwirtschaft Hauptverursacher der Belastung. Ohne Verzicht auf Höchsterträge wird die Gefahr der Eutrophierung der Gewässer genauso wenig gebannt werden können wie die Belastung von Grundwasser und pflanzlicher Nahrung.
[Demuth 1992]

Quellen-Angaben

S (1) Klärschlamm wurde im Jahr 2009 überwiegend verbrannt, recyclingportal.eu, Artikel vom: 30.12.2010, http://www.recyclingportal.eu/artikel/25784.shtml
(2) Stickstoffkreislauf , wikipedia, http://de.wikipedia.org/wiki/Stickstoffkreislauf
Phosphate, wikipedia, http://de.wikipedia.org/wiki/Phosphate

(3) Umwelt - Kernindikatorensystem: Grundwasserqualität: Nitratbelastung, Umweltbundesamt, http://www.umweltbundesamt.de/daten/umweltdaten/public/theme.do?nodeIdent=2876 am 11.08.2011
(4) Zeitungsartikel von Libération über die grünen Algen in der Bretagne, http://www.liberation.fr/depeches/01012353428-algues-vertes-nkm-ordonne-la-fermeture-des-plages-non-nettoyables [2011 inszwischen offline].
(5) Wasser Wissen, das Internetportal für Wasser und Abwasser, menschliche Ausscheidungen

[Bick 1989], H. Bick , Ökologie, Gustav Fischer Verlag, Stuttgart, New York, 1989
[Demuth 1992] R. Demuth, Chemie und Umweltbelastung, Chemievorlesung, Uni Kiel, 1992, http://www.chemievorlesung.uni-kiel.de/1992_umweltbelastung/
[Kalusche 1999], D. Kalusche , Ökologie - ein Lernbuch, 3., grundlegend überarbeitete Auflage, Quelle & Meyer Verlag Wiesbaden, 1999
[Klötzli 1989], F. Klötzli, Ökosysteme : Aufbau, Funktionen, Störungen, 2. Völlig überarbeitete Auflage, G. Fischer, Stuttgart, 1989
[Odum 1991], E. P. Odum , Prinzipien der Ökologie: Lebensräume, Soffkreisläufe, Wachstumsgrenzen, Spektrum der Wissenschaft, Heidleberg, 1991. Aus dem Amerikanischen übersetzt von Sabine Grein.
[Sengbusch 2004], Peter v. Sengbusch, Botanik online, Universität Hamburg, 2004, http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/d00/inhalt.htm [2011 inszwischen offline]


Weiterführende Links:



Herzlichen Dank an Reinhard Demuth für seine freundliche Erlaubnis, das Material aus seiner sehr interessanten und lehrreichen Online-Vorlesung für diese Seite zu benutzen.

Seite zuletzt geändert: 05.01.2015