Reaktiver Stickstoff in der Umwelt

J?hrliche Stickstoffeintr?ge in die Umwelt - Sektorale Anteile an den Gesamtemissionen 1995 - 2014zum Vergr??ern anklicken
J?hrliche Stickstoffeintr?ge in die Umwelt - Sektorale Anteile an den Gesamtemissionen 1995 - 2014

J?hrliche Stickstoffeintr?ge in die Umwelt - Sektorale Anteile an den Gesamtemissionen 1995 - 2014

Quelle: Umweltbundesamt FG II 4.3

Inhaltsverzeichnis

 

Formen reaktiven Stickstoffs

Elementarer Stickstoff (N2) besteht aus zwei Stickstoffatomen, die eine sehr starke Bindung miteinander koppelt. Daher ist elementarer Stickstoff kaum reaktiv und kann von den meisten Lebewesen nicht genutzt werden. Im Unterschied dazu geht reaktiver Stickstoff vielf?ltige Bindungen mit organischen und anorganischen Stoffen ein. Er ist für alle Lebensprozesse von grundlegender Bedeutung. Die Verfügbarkeit reaktiven Stickstoffs limitiert h?ufig das Pflanzenwachstum. Eine ausreichende Versorgung mit reaktivem Stickstoff ist deshalb für die Nahrungsmittelproduktion entscheidend. Gelangt reaktiver Stickstoff jedoch in zu gro?en Mengen in die Umwelt, so wird er zu einem der bedeutendsten Schadstoffe für Menschen und ?kosysteme.

Besonders umweltrelevante Formen des reaktiven Stickstoffs sind

  • die Gase Ammoniak (NH3), Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO2) und Lachgas (N2O) sowie
  • Ammonium (NH4 +) und Nitrat (NO3-), die gel?st und in Luftfeinst?uben auftreten.

Die verschiedenen Formen reaktiven Stickstoffs sind sehr mobil und ineinander transformierbar. Sie zirkulieren über einen biogeochemischen Kreislauf zwischen Luft, Boden, Wasser und Organismen.

 

Quellen reaktiven Stickstoffs

Etwa 50 Prozent des Stickstoffvorrats unseres Planeten befinden sich als gasf?rmige Stickstoffverbindungen in der ⁠Atmosph?re⁠. Den weitaus gr??ten Teil davon (mehr als 99 Prozent) nimmt der reaktionstr?ge elementare Stickstoff ein. Nur wenige natürliche Prozesse wandeln elementaren Stickstoff in reaktive Formen um: Einige wenige Bakterienst?mme k?nnen zum Beispiel elementaren Stickstoff aufspalten und so pflanzenverfügbar machen. Seit der industriellen Revolution wird jedoch durch menschliche Prozesse deutlich mehr elementarer Stickstoff in reaktive Formen umgewandelt. Die Rate dürfte sich gegenüber dem vorindustriellen Niveau um das Zehnfache vergr??ert haben. Die wichtigsten Umwandlungsprozesse sind

  • die Verbrennung fossiler Energietr?ger und die damit verbundene ⁠Emission⁠ von Stickstoffoxiden (NOx),
  • die Synthese von Ammoniak (NH3) mit dem Haber-Bosch-Verfahren (haupts?chlich zur Düngemittelproduktion) sowie
  • der Anbau von Hülsenfrüchten.

Ein Teil des reaktiven Stickstoffs gelangt als Emission ungenutzt in die Umwelt. Das Umweltbundesamt l?sst die Emissionen und die Beitr?ge unterschiedlicher Verursacherbereiche regelm??ig bilanzieren. Der aktuellsten Bilanzierung zu Folge betr?gt die j?hrliche Gesamtemission von gasf?rmigem Stickstoffverbindungen oder Nitrat in die Umwelt in Deutschland 1.547 kt N a-1. Davon werden 67 % durch die Landwirtschaft, 11 % aus dem Verkehrsbereich, 16 % aus Prozessen der Industrie- und Energiewirtschaft und 6 % aus Haushalten, Abwasserwirtschaft und Oberfl?chenablauf freigesetzt. Der Gro?teil entweicht als Ammoniak in die Luft, gefolgt vom Nitrateintrag in Oberfl?chengew?sser, den NOx-Emissionen und der Lachgas-Freisetzung in die Atmosph?re (Abbildung).

 

Wirkungen reaktiven Stickstoffs

Durch die überm??ige Freisetzung reaktiver Stickstoffverbindungen werden natürliche Stoffkreisl?ufe und ?kosystembeziehungen empfindlich gest?rt. Erhebliche nachteilige Wirkungen für Mensch und Umwelt sind die Folge.

  • Die weitr?umige N?hrstoffübers?ttigung (Eutrophierung) und Versauerung von ?kosystemen hat nachhaltige Folgewirkungen, wie zum Beispiel den Verlust an biologischer Vielfalt.
  • Die Auswaschungen von Nitrat gef?hrden die Qualit?t des Trinkwassers.
  • Erh?hte Emissionen von Lachgas führen zu einer zus?tzlichen Versch?rfung des Klimawandels und sch?digen die stratosph?rische Ozonschicht.
  • Gasf?rmige Stickstoffverbindungen sind Vorl?uferstoffe von bodennahem Ozon und sekund?ren Feinst?uben und damit ein Risiko für die menschliche Gesundheit.
  • Erh?hte Ammoniak- und Ozonkonzentrationen in der ⁠Atmosph?re⁠ führen in Europa zu weitr?umigen Sch?digungen empfindlicher Pflanzen.
  • Stickstoffdioxid sch?digt die Atemwege und so die menschliche Gesundheit.
 

Minderungsstrategien - Integrierte und internationale Ans?tze

Durch die Wandlungs- und Transportf?higkeit des Stickstoffs k?nnen Minderungsma?nahmen in einem Umweltbereich unter Umst?nden dazu führen, Probleme in einen anderen Bereich zu verschieben und sie dort noch zu verst?rken. Um die Emissionen reaktiver Stickstoffverbindungen wirksam zu reduzieren und die vielf?ltigen negativen Umweltwirkungen zu mindern, bedarf es deshalb integrierter Konzepte. Das Umweltbundesamt arbeitet seit vielen Jahren daran und unterstützt das Bundesumweltministerium bei der Entwicklung einer Stickstoffstrategie und eines Aktionsprogramms zur Stickstoffminderung. 2015 dr?ngte auch der Sachverst?ndigenrat für Umweltfragen darauf, die Bundesregierung m?ge zur L?sung der Problematik eine Strategie entwickeln. Auch auf internationaler Ebene werden in jüngster Zeit verst?rkt überregionale und medienübergreifende L?sungsans?tze entwickelt.

Integrierte Stickstoff-Emissionsminderung

Trotz langj?hriger Anstrengungen, die Stickstoffeintr?ge in die Umwelt zu reduzieren, wurden die meisten stickstoffbezogenen Umweltqualit?ts- und -handlungsziele bisher nicht erreicht.

  • Wegen der anhaltenden überdüngung von ?kosystemen als Folge der Stickstoffeintr?ge schreitet der Verlust an biologischer Vielfalt unvermindert fort.
  • Geltende Richt- und Grenzwerte zum Schutz der Gew?sser vor Nitrateintr?gen sowie zum Schutz der menschlichen Gesundheit vor einer Gef?hrdung durch NO2, Feinstaub und Ozon in der Au?enluft werden überschritten.
  • Die Minderungsverpflichtungen der NEC-Richtlinie zur Reduzierung der Ammoniak- und Stickstoffoxid-Emissionen. kann Deutschland nicht ohne weitere Ma?nahmen erreichen.
  • Eine Stabilisierung der Treibhausgaskonzentrationen in der ⁠Atmosph?re⁠, um eine gef?hrliche anthropogene St?rung des Klimasystems zu verhindern, erfordert auch eine Minderung der Freisetzung von Lachgas (N2O).

Bisherige Ma?nahmen zur Minderung der Stickstoffemissionen waren h?ufig zu wenig effektiv, da sich gesetzliche Vorgaben und Regelungen auf einzelne Emissionsbereiche beschr?nkten oder nur eine Umweltwirkung bzw. ein Schutzgut betrafen.

Aufgrund der Komplexit?t des Stickstoffproblems ist es sinnvoll, alle Verursacherbereiche und betroffenen Umweltmedien zusammen zu betrachten. Unabh?ngige Bewertungen einzelner stickstoffbezogener Umweltprobleme, wie die Beeintr?chtigung von Gew?sser- oder Luftqualit?t, bergen das Risiko in sich, wichtige Wechselwirkungen zu übersehen. Für die Politik lohnt sich ein integrierter Ansatz zur L?sung des Stickstoffproblems, weil ein ressortübergreifendes, einheitliches Politikverst?ndnis Voraussetzung für gemeinsames Handeln ist. Das Problem als Ganzes zu erkennen, zu begreifen und zu vermitteln, kann die Bereitschaft zur ?nderung von Lebensstilen erh?hen und so gesellschaftliche Transformationsprozesse in den Bereichen Ern?hrung, Mobilit?t und Energienutzung unterstützen. Denn Ver?nderungen in diesen Bereichen k?nnen zur Reduzierung der Stickstoffüberschüsse in der Umwelt beitragen. Auch innerhalb eines Einzelsektors unterstützt ein integrierter Ansatz effektive L?sungswege, da sich mit einer übergreifenden Betrachtung synergetische Wirkungen von Ma?nahmen erkennen lassen. So ist es beispielsweise bei stickstoffmindernden Ma?nahmen in der Landwirtschaft sinnvoll, gleicherma?en Potentiale für Luftreinhaltung, ⁠Klimaschutz⁠ und Gew?sserschutz zu bewerten, um effiziente Ma?nahmenkombinationen erkennen zu k?nnen.

Ein nationales Stickstoff-Ziel

Um den Umfang notwendiger Minderungserfordernisse der verschiedenen Stickstoffverbindung auf einen Blick sichtbar zu machen und überprüfen zu k?nnen, lie? das Umweltbundesamt im Rahmen eines Forschungsprojektes ein wirkungsorientiertes, integriertes Stickstoffziel für Deutschland ableiten. Das integrierte Ziel markiert die maximale Menge Stickstoff, die in Deutschland pro Jahr freigesetzt werden darf, um die gegenw?rtig gesetzten Umwelt- und Gesundheitsziele zu erreichen. Es setzt also einen quantitativen Rahmen für einen vertr?glichen Umgang mit Stickstoffverbindungen in den unterschiedlichen Wirtschaftsbereichen, ohne einen einzelnen Bereich hervorzuheben.

Um Mensch und Umwelt besser zu schützen, sollte die Stickstofffreisetzung in einem ersten Schritt auf j?hrlich 1.000 kt N a-1 (oder 1 Mio. t) für Deutschland begrenzt werden. Gegenüber der derzeitigen Freisetzung müsste die j?hrliche Gesamtfreisetzung an reaktivem Stickstoff um rund ein Drittel reduziert werden. Bei 83 Millionen Einwohnern bedeutet das eine Begrenzung der Stickstofffreisetzung auf etwa 12 kg N pro Person im Jahr.

Internationale Initiativen zur Stickstoff-Emissionsminderung

Die überlastung von ?kosystemen mit reaktiven Stickstoffverbindungen betrifft nicht nur Deutschland und Europa. Der Mensch beeinflusst den globalen Stickstoffkreislauf massiv. Weltweit wird zurzeit etwa viermal mehr Stickstoff in die reaktive Form umgewandelt, als für ein langfristiges überleben nachhaltig vertr?glich ist. Durch steigenden Energiebedarf und das Bev?lkerungswachstum ist von einer weiteren Versch?rfung der Problematik auszugehen. Es handelt sich um ein globales Querschnittsproblem des Umweltschutzes.

Dabei treten regionale Unterschiede auf, nach denen sich die Probleme und L?sungsans?tze in Afrika, Europa, Südamerika oder Süd-Ost Asien teilweise fundamental voneinander unterscheiden und dennoch über globale Stickstoffstr?me miteinander in der Verbindung stehen. W?hrend in industriell entwickelten Regionen Stickstoff als Ressource für die Landwirtschaft im überfluss vorhanden ist und gleichzeitig an der Verminderung von Stickstoffemissionen (NO2, Nitrat, Ammoniak) bereits seit Jahrzehnten gearbeitet wird, fehlt es in anderen Regionen (z. B. in Afrika) an ausreichenden Düngemitteln und an der Implementierung von Emissionsminderungsma?nahmen. Um zentrale humanit?re Probleme wie Hunger, Zugang zu sauberem Trinkwasser und Leben in sauberer Luft, unzureichendes Abwassermanagement, Verlust von Artenvielfalt, Verschmutzung von Küstengew?ssern und ⁠Klimawandel⁠ zu l?sen, bedarf es auch auf internationaler Ebene aufeinander abgestimmte stickstoffbezogene Politiken. Ein übergreifendes globales Management mit Hilfe integrierter L?sungsans?tze und Kooperation aller Beteiligten ist dringend notwendig und besonders aussichtsreich, um die nachteiligen Wirkungen von Stickstoff zu vermindern und die Vorteile von Stickstoff in Weltregionen mit Hunger gleichzeitig verst?rkt zu nutzen.

Verschiedene europ?ische und weltweite Netzwerke von Wissenschaftlern und politiknahen Akteuren machen daher seit einigen Jahren verst?rkt auf die globalen Probleme aufmerksam, die aus der überlastung des Stickstoffkreislaufs entstehen.

Ein besonders vielversprechender Baustein für ein globales Stickstoffmanagement ist eine Resolution der Umweltvollversammlung der Vereinten Nationen zum ?Nachhaltigen Stickstoffmanagement“. Aufbauend auf der Resolution wird derzeit eine Kooperation der verschiedenen ⁠UN⁠-Konventionen mit Bezug zum Thema Stickstoff entwickelt (Interconvention Nitrogen Coordination Mechanism (INCOM)). Beteiligt in diesem Prozess sind u.a. die Konvention zum Schutz der ⁠Biodiversit?t⁠ (CBD), die Konvention über grenzüberschreitenden Luftverunreinigungen (CLRTAP), die Klimarahmenkonvention (⁠UNFCCC⁠), die Weltern?hrungsorganisation (FAO), die Weltgesundheitsorganisation (WHO) sowie die Umweltorganisation der Vereinten Nationen (⁠UNEP⁠).

Die Internationale Stickstoff Initiative (INI), ein globales Wissenschaftler-Netzwerk, verfolgt das Ziel, die Nutzung reaktiven Stickstoffs im Rahmen einer nachhaltigen Nahrungsmittelproduktion zu st?rken und gleichzeitig negative Wirkungen auf Menschen und Umwelt zu minimieren. Das Umweltbundesamt richtet zusammen mit dem Bundesumweltministerium die 8. Globale Konferenz der INI in Berlin aus. Mehr als 400 Wissenschaftler und politische Vertreter aus der ganzen Welt kommen dazu im Jahr 2021 zusammen, um unter der überschrift ?Stickstoff und die UN Nachhaltigkeitsziele“ das neuste Wissen zu Bewertungs- und L?sungsans?tzen auszutauschen.

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 Stickstoff  Nitrat  Eutrophierung  Versauerung  Lachgas  Ammoniak  NO2