Phosphor: Fluch und Segen eines Elements

von Peter Clausing

Der europäische Phosphorzyklus könnte vollständig geschlossen werden, wenn die importierten chemischen Phosphatdünger komplett gegen biologische und recyclte chemische Phosphordünger ersetzt würden. Damit stiege die Wasserqualität in Europa und viele andere Probleme wären gelöst. Doch um das zu erreichen, müsste das Diktat der »Marktkräfte« überwunden werden.

Phosphor ist ein lebensnotwendiges chemisches Element. Sowohl im menschlichen Körper als auch in Pflanzen beträgt sein Anteil zwar nur zirka ein Prozent. Ohne Phosphor gäbe es aber kein Leben in seiner jetzigen Form. Er ist Baustein der Erbinformation DNS, von Proteinen und Enzymen. Die Freisetzung und Speicherung von Energie in den Zellen von Tieren und Pflanzen erfolgt unter obligatorischer Beteiligung von Phosphor. Im Pflanzenbau ist Phosphor unverzichtbar und kann durch nichts ersetzt werden. Daraus folgt, dass eine Landwirtschaft, die nicht auf geschlossenen Kreisläufen basiert, letztlich auf Phosphorzufuhr von außen angewiesen ist. Nach Verarbeitung des Rohphosphats wird der Phosphor in pflanzenverfügbarer Form in den Boden eingebracht, zumeist als Diphosphat, das wenig wasserlöslich ist, aber durch Mikroorganismen und die von den Wurzeln abgegebenen Säuren leicht aufgeschlossen werden kann. Typischerweise sind Anbausysteme, die nicht auf agrarökologischen Prinzipien beruhen, auf den Import von Phosphor angewiesen, wobei verschiedene Industrieländer anstreben, durch gesetzliche Regelungen und technologische Eingriffe ein gewisses Phosphorrecycling auf nationaler Ebene auch ohne agrarökologischen Anbau zu erreichen. Von einem halbwegs vollständigen Recycling ist man jedoch noch weit entfernt, obwohl die globalen »Phosphorsenken«, in denen die vom Menschen ausgebrachten Phosphormengen am Ende landen (Binnengewässer und Meere), längst überfüllt sind.

Produktionsmaximum

Die globalen Phosphorvorräte sind endlich, und ihre Erschöpfung ist absehbar, so dass ein Recycling schon aus diesem Grund bereits vor Jahrzehnten vernünftig gewesen wäre. Ob dem von der Düngemittelindustrie zwecks Absatzsicherung Steine in den Weg gelegt wurden, sei dahingestellt. Wie lange die Vorräte tatsächlich reichen werden, hängt davon ab, welche Lagerstätten als abbauwürdig betrachtet und wie erfolgreich die Bemühungen um ein Phosphorrecycling sein werden. In den einschlägigen Lehrbüchern ist von hundert Jahren die Rede. Ähnlich wie bei »Peak Oil«, dem weltweiten Erdölfördermaximum, ist auch bei einem »Peak Phosphor« mit einer Verteuerung des Rohstoffs zu rechnen, wenn die Förderkosten steigen und die Vorräte zur Neige gehen, was sich dann auf die Produktionskosten für Nahrungsmittel auswirken wird. Dem »Peak«-Konzept liegt die Annahme zugrunde, dass die Förderung bzw. Gewinnung des betreffenden Rohstoffs irgendwann ein historisches Maximum erreichen wird und die Produktion danach irreversibel abfällt. Die wichtigsten Lagerstätten für Rohphosphat (phosphathaltige Erze) befinden sich in Nordafrika, aber auch die USA (Florida), Russland und China verfügen über Reserven. Zur Zeit liegen etwa 75 Prozent der bekannten Reserven in der Westsahara, also in jenem Land, das vor 40 Jahren von Spanien unabhängig und anschließend von Marokko völkerrechtswidrig annektiert wurde.

Wie bei anderen Rohstoffen (Erdöl, Coltan) sind die Vorräte also in bestimmten Regionen konzentriert, woraus sich in jenen Ländern, die auf Phosphatimporte angewiesen sind, latente Begehrlichkeiten und »strategische Sorgen« ergeben. So wurde Rohphosphat 2014 von der EU-Kommission in eine Liste von 20 »kritischen« Rohstoffen aufgenommen, wobei es der einzige von der Landwirtschaft und der Nahrungsmittelindustrie genutzte Rohstoff ist. Ein Grund für die Klassifizierung als kritischer Rohstoff dürfte auch die Preisexplosion für Rohphosphat im Jahr 2008 gewesen sein. Innerhalb von zwölf Monaten war dessen Weltmarktpreis um das Achtfache angestiegen, während die Weltmarktpreise für Weizen, Mais und Reis sich verdoppelten bis verdreifachten, was in mehr als 40 Ländern zu sogenannten Brotrevolten führte. Auch wenn der Anstieg der Lebensmittelpreise vor allem durch Spekulation an den Rohstoffbörsen bedingt war, ist ein Einfuss der zu jener Zeit verteuerten landwirtschaftlichen Inputs (Düngemittel, Diesel) naheliegend.

Bei Phosphormangel bleiben die Blätter der Pflanzen klein und die Erträge niedrig. Obwohl eine aus externen Quellen zugeführte mineralische Phosphordüngung nicht nachhaltig ist, hat sie einen maßgeblichen Beitrag zur Steigerung des globalen Erntevolumens in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts geleistet. Dabei gibt es sowohl regional als auch über die Zeit gravierende Unterschiede in der pro Hektar eingesetzten Phosphormenge. In Westeuropa wurden in den letzten 40 Jahren (1961–2012) durchschnittlich 17 Kilogramm Phosphor pro Hektar und Jahr eingesetzt – der globale Spitzenwert. Das führte neben einer gravierenden Umweltbelastung zu einer Phosphorsättigung der Böden. Bemühungen, den Phosphorverbrauch zu senken, waren erfolgreich, aber nicht ausreichend. Es wurde erreicht, dass in Westeuropa von 2008 bis 2012 im Durchschnitt nur noch vier Kilogramm Phosphor pro Hektar zum Einsatz kamen. Im Gegensatz dazu hat sich die durchschnittlich ausgebrachte Menge in Nord- und Südamerika in den letzten Jahren verdoppelt und liegt derzeit bei mehr als sieben Kilogramm pro Hektar und Jahr. Hinter diesen Veränderungen verbirgt sich zum Teil die Tatsache, dass die EU in diesem Punkt auf Kosten anderer lebt, denn rund 15 Prozent des Phosphors wurden in Form von Futtermitteln importiert. Mit anderen Worten, der Phosphordünger wird in den »Sojarepubliken« (Argentinien, Brasilien, Paraguay) auf die Felder gebracht und das daraus hergestellte Tierfutter an Rinder, Schweine und Geflügel in der EU verabreicht. Die Statistik für den afrikanischen Kontinent weist von 1961 bis 2012 durchgängig weniger als 500 Gramm Phosphor pro Hektar und Jahr aus. Wie in vielen anderen Fällen auch ist es so, dass jener Kontinent, der über die größten Reserven verfügt, den weitaus geringsten Einsatz dieses Rohstoffs aufweist. In diesem speziellen Fall könnte man das aber trotzdem eher als Chance denn als Nachteil betrachten, wenn die dortigen Bemühungen zur Umstellung der Produktion auf geschlossene agroökologische Systeme nicht finanzschwachen lokalen Initiativen und Nichtregierungsorganisationen überlassen blieben, sondern zum Förderschwerpunkt einer Entwicklungszusammenarbeit werden würden, die diesen Namen auch verdient.

Umweltschäden

In der EU hingegen sind die Verhältnisse genau umgekehrt: Den oben erwähnten Sorgen um einen kontinuierlichen Zugang zur strategischen Ressource Rohphosphat steht ein Zuviel an Phosphat in Gewässern und Böden gegenüber. Aus einer für 2005 berechneten EU-Bilanz (2.659 Kilotonnen Phosphor) geht hervor, dass davon zehn Prozent den Abfällen der Lebensmittelverarbeitung und 26 Prozent den kommunalen Abwässern geschuldet sind. Geschätzte 31 Prozent dieser Menge reicherte sich in den Böden an. Die Folgen sind die sogenannte Eutrophierung (Nährstoffanreicherung) der Gewässer und ein Verlust an biologischer Vielfalt. Die Eutrophierung der Gewässer, an der neben Phosphat auch Stickstoff beteiligt ist, führt zum Verlust an Sauerstoff, so dass nur wenige Fische und andere Tierarten in den Gewässern leben können oder es gar zu einem akuten Sterben nach einer Algenblüte kommt. Die konkrete Belastbarkeit eines Gewässers wird jedoch stark von seinem ursprünglichen Zustand und dem in ihm lebenden Ökosystem bestimmt. So ist bekannt, dass phosphorarme alpine Bergseen extrem empfindlich gegenüber einem zusätzlichen Phosphoreintrag (die Anreicherung von Phosphor; jW) sind. In den Niederlanden gelten 0,1 Milligramm Phosphor pro Liter Wasser als kritischer Grenzwert für die Gefahr einer Eutrophierung. Eine Akkumulation im Boden hat neben dem Abschwemmen des Phosphats in die Gewässer zur Folge, dass sich einige phosphorliebende Pflanzenarten übermäßig ausbreiten und dabei viele andere Arten verdrängen. Es ist vorstellbar, dass dies zu jener Kettenreaktion beiträgt, die vor allem als Folge des Einsatzes von Glyphosat bekannt ist: Die Verarmung der Pflanzenvielfalt entzieht vielen Insektenarten, einschließlich Nutzinsekten, die Nahrung, was längerfristig auch als nahrungsbedingter Bestandsrückgang bei bestimmten Vogelarten spürbar wird.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Phosphatbelastung der Umwelt nicht nur aus der Anwendung als Düngemittel resultiert. Als weitere Quelle sind industrielle Prozesse zu nennen. Insbesondere bei der Stahlproduktion einschließlich der dazugehörigen Erzaufbereitung können große Mengen Phosphor freigesetzt werden, wenn die Erze entsprechend belastet sind. Am bekanntesten dürfte jedoch der Phosphoreintrag durch die Verwendung von Phosphaten in Wasch- und Spülmitteln sein. Auch wenn diese Produkte in Westeuropa und Nordamerika inzwischen durch das umweltfreundlichere Zeolith ersetzt wurden, sind phosphathaltige Mittel in Osteuropa, Südamerika, Asien und Afrika weiterhin auf dem Markt. Die globale jährlich freigesetzte Menge an Phosphor aus dieser Quelle ist allerdings von 1,2 Megatonnen im Jahr 2007 auf 0,8 Megatonnen im Jahr 2012 geschrumpft.

Einer Studie der in Kopenhagen ansässigen Europäischen Umweltagentur zufolge gab es im Laufe der Zeit eine Verschiebung von den sogenannten Punktquellen zu diffusen Quellen des Phosphoreintrags in die Flüsse. Punktquellen sind vor allem Abwassereinleitungen aus Industrie und Haushalten. Die wichtigste diffuse Quelle des Phosphoreintrags ist die Landwirtschaft, nicht nur durch den Einsatz von Mineraldüngern, sondern auch durch die Ausbringung von Dung bzw. Gülle. Die relative Verschiebung von Punkt- zu diffusen Quellen sagt zwar nichts über die eingetragenen Mengen, weist aber trotz regionaler Unterschiede auf eine zunehmende Verbesserung der Abwasserbehandlung im europäischen Maßstab hin.

Gesundheitliche Folgen

Ein wenig beachteter Aspekt sind die Auswirkungen von Phosphor auf die Gesundheit. Menschen nehmen Phosphor vermehrt auf, wenn sie Fleisch und Fertignahrung konsumieren. Gefährdet sind insbesondere Personen mit Nierenschäden, bei denen dann der über die Nahrung aufgenommene Phosphor ungenügend ausgeschieden wird, so dass es zu erhöhten Werten im Blut kommt. Solche erhöhten Phosphorwerte wurden inzwischen als Risikofaktor bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen identifiziert. Insbesondere wird ihnen eine verstärkende Wirkung bei der Arterienverkalkung zugesprochen. Nachdem Natriumverbindungen unter anderem wegen dieser Herz-Kreislauf-Effekte als Zusatzstoffe für Nahrungsmittel in Verruf gerieten bzw. verboten wurden, nehmen nun Phosphate ihre Position ein und zeigen ähnliche Nebenwirkungen. Aus den Verpackungen geht das nur verschlüsselt hervor – in Form der berühmt-berüchtigten E-Codes, z. B. E 339 (Natriumphosphat), E 340 (Kaliumphosphat) und E 341 (Kalziumphosphat). Diese Verbindungen werden in großem Umfang als Konservierungsmittel, Säuremittel, Puffer, Emulgatoren, Stabilisatoren und Geschmacksverstärker eingesetzt. Die Hersteller sind nicht zu Mengenangaben auf den Etiketten verpflichtet, so dass es für Menschen aus Risikogruppen (Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes, chronische Nierenkrankheiten) schwierig ist, wissensbasierte Kaufentscheidungen zu treffen.

Die Verarbeitung von phosphathaltigem Gestein zu chemischem Dünger beinhaltet noch ein weiteres Problem für Gesundheit und Umwelt: Bestimmte Lagerstätten sind mit Schwermetallen belastet, die so auf die gedüngten Ackerflächen gelangen. Eine Kadmiumkonzentration von 60 Milligramm pro Kilogramm Diphosphat wurde als kritisch bezüglich einer möglichen Anreicherung im Ackerboden (mit anschließendem Transfer in die Nahrungspflanzen) identifiziert.

Mangelnde Regulierung

Es gibt also viele Gründe, die externe Zuführung von Phosphat so gering wie möglich zu halten. Doch anders als beim Stickstoff gibt es keine EU-Direktive, die den Einsatz von Phosphor in der Landwirtschaft bzw. dessen Verringerung reguliert. Bisher blieb es den Mitgliedsländern überlassen, ob sie gesetzliche Regelungen einführen oder nicht. In Deutschland kommt die Düngeverordnung von 2007 zu Anwendung, die unter anderem vorschreibt, dass alle sechs Jahre der Phosphorgehalt des Bodens zu bestimmen ist, um zu sichern, dass die Phosphorbilanz (Phosphoreintrag in den Boden minus Phosphorentnahme aus dem Boden in Form geernteter Pflanzen) 20 Kilogramm Diphosphat pro Hektar nicht überschreitet. In der Fachliteratur wird kritisiert, dass die Berechnung dieser Bilanz verschwommen definiert und schwer zu verifizieren ist. Auch die Berechnung des konkreten Phosphorbedarfs eines Pflanzenbestandes ist alles andere als trivial, insbesondere bei Böden, in denen sich Phosphor über die Jahrzehnte angereichert hat – so wie in Westeuropa. Die Effizienz der Phosphoraufnahme hängt nicht nur von der Bodenstruktur und der Pflanzenart ab. Sie kann auch zwischen verschiedenen Sorten innerhalb einer Pflanzenart stark variieren, und die ertragssteigernde Wirkung des ausgebrachten Düngers nimmt in dem Maße ab, in dem der behandelte Boden bereits über Phosphorreserven verfügt. Deshalb kann die tatsächliche Phosphoraufnahme im konkreten Fall erheblich von dem in Modellversuchen ermittelten Phosphorquotienten abweichen, der beschreibt, wieviel Prozent der ausgebrachten Phosphormenge durch die jeweilige Kultur aufgenommen werden. Es ist also nach wie vor schwierig, eine maßgeschneiderte Düngeempfehlung zu berechnen, und das Modewort »Präzisionslandwirtschaft« beschreibt eher das Ziel als den bisher erreichten Zustand. Ein wichtiger, die Phosphoraufnahme beeinflussender Faktor sind außerdem die Mikroorganismen des Bodens, die zum Teil mit dem Wurzelgeflecht in Symbiose leben und die Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors maßgeblich beeinflussen. Für das Herbizid Glyphosat, das von Monsanto auch wegen seiner antibiotischen Wirkung patentiert wurde und von dem jährlich mehr als 5.000 Tonnen auf den deutschen Äckern landen, ist bekannt, dass es die Mikroflora des Bodens schädigt. Deshalb ist gut vorstellbar, dass dieses Pflanzengift die Effizienz der Phosphoraufnahme nachhaltig negativ beeinflusst, auch wenn es dazu bislang noch keine konkreten Studien gibt.

Lösungsansätze

Um den unerwünschten Phosphoreintrag in die Umwelt zu reduzieren, gibt es, wie oben erwähnt, zwei Wege: erstens die Behandlung der Abwässer mit dem Ziel, Phosphat und andere Stoffe zurückzuhalten, und zweitens die Reduzierung der diffusen Phosphoreinträge, die in erster Linie durch die Landwirtschaft verursacht werden. Beginnend im 19. Jahrhundert wurden die kommunalen Abwässer über Verrieselung entsorgt. Die zunehmend nährstoffreichen Rieselfelder wurden häufig zur Produktion von Gemüse genutzt. Später nutzte man Kläranlagen und arbeitete deren Schlämme in den Boden ein. Zunehmende Bedenken wegen der Belastung durch Bakterien und chemische Rückstände, insbesondere Schwermetalle, führten zu Einschränkungen bis hin zum Verbot einer direkten Ausbringung von Klärschlamm. Statt dessen wird nunmehr versucht, wertvolle Stoffe aus dem Klärschlamm zu isolieren. Dazu zählen verschiedene Technologien zur direkten Extraktion von Phosphor, die in den letzten zehn Jahren entwickelt wurden. Das bevorzugte Verfahren ist die Auskristallisierung von Phosphor aus der Flüssigphase des Klärschlamms in Form von Ammoniummagnesiumphosphat (Struvit). Struvit ist ein Düngemittel mit langsamer Freisetzung und ausgezeichneter Pflanzenverfügbarkeit. Doch einer halbwegs flächendeckenden Einführung solcher Technologien, mit denen der Phosphorbedarf der europäischen Landwirtschaft weitestgehend gedeckt werden könnte, stehen die »Marktkräfte« entgegen. Von der kurzzeitigen Preisexplosion im Jahr 2008 abgesehen, sind Düngemittel aus phosphathaltigen Erzen noch immer billiger als jene, die umweltschonend aus Klärschlamm gewonnen werden. Und auch »Bauer Willi«, der die Verbraucher aufruft, die Finger von günstigen Lebensmitteln zu lassen, bevorzugt selbst die billigen Düngemittel (junge Welt, Beilage »Land & Wirtschaft«, 10.8.2016, S. 5).

Noch schwieriger ist der Umgang mit den diffusen Phosphoreinträgen. Neben den Schwierigkeiten, die benötigte Phosphormenge genau zu dosieren, um eine Akkumulation in den Böden zu verhindern, gibt es zwei weitere große Probleme. Das erste ist der Phosphorüberschuss in Regionen mit hoher Nutztierdichte. Die dort anfallenden Exkremente (Gülle, Dung) werden bis zur Belastungsgrenze auf umliegende Äcker ausgebracht oder, wenn das nicht mehr möglich ist, mit hohem Transportaufwand in andere Regionen verbracht. Die ökologische Sinnlosigkeit dieses Systems liegt auf der Hand. Die logische Schlussfolgerung, nämlich geschlossene Stoffkreisläufe zu etablieren, drängt sich förmlich auf. Das könnte durch eine substantielle Förderung agrarökologischer Anbausysteme erreicht werden, verbunden mit Forschungsinvestitionen, politisch gestalteten Erzeugerpreisen und dem Aufbau von Beratungsdiensten. Das zweite Problem sind die Langzeitwirkungen des Klimawandels. Für das nördliche Europa prognostiziert der Weltklimarat eine Zunahme von Niederschlägen und extremen Wetterereignissen. Nicht nur Starkregen verursacht Erosion und damit den Transfer von Phosphor und Stickstoff in Flüsse und Meere. Die immer häufiger auftretenden Hochwasserereignisse sind auch in dieser Beziehung ein Problem, denn durch sie werden jene Phosphatmengen, die sich über die Jahrzehnte in Uferregionen und Flussbetten abgelagert haben, ausgewaschen. Auch in diesem Kontext ist von Bedeutung, dass agrarökologische Anbausysteme klimagünstiger funktionieren als konventionelle.

Der bestehende Handlungsbedarf wird von Oscar Schoumans und seinen Mitautoren wie folgt beschrieben: »Der europäische Phosphorzyklus könnte vollständig geschlossen und die europäische Wasserqualität verbessert werden, wenn die importierten chemischen Phosphatdünger komplett gegen biologische und chemische Phosphordünger ersetzt werden würden, die den Abfallströmen entzogen wurden.«* Doch um das zügig zu erreichen, müsste das Diktat der »Marktkräfte« überwunden werden.

* Schoumans, O. F./Bouraoui, F./Kabbe, C./Oenema, O./van Dijk, K. C.: Phosphorus management in Europe in a changing world, in: AMBIO (2015), No. 44, Suppl. 2, S. 188 (Übersetzung P. C.)

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