Reaktiver Stickstoff in der Umwelt

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 vielfältige Bindungen mit organischen und anorganischen Stoffen ein; er ist für alle Lebensprozesse von grundlegender Bedeutung. Die Verfügbarkeit reaktiven Stickstoffs limitiert häufig das Pflanzenwachstum. Eine ausreichende Versorgung mit reaktivem Stickstoff ist deshalb für die Nahrungsmittelproduktion entscheidend. Gelangt reaktiver Stickstoff jedoch in zu großen Mengen in die Umwelt, wird er zu einem der bedeutendsten Schadstoffe für Menschen und Ökosysteme.

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 gelöst und in Luftfeinstäuben auftreten.

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

Ein großer Teil des Stickstoffvorrats unseres Planeten befindet sich als gasförmige Stickstoffverbindungen in der Atmosphäre. Den weitaus größten Teil davon nimmt der reaktionsträge elementare Stickstoff ein. Er macht 78 % der Atemluft aus. Nur wenige natürliche Prozesse wandeln elementaren Stickstoff in reaktive Formen um: Einige wenige Bakterienstämme können 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 vergrößert haben. Die wichtigsten Umwandlungsprozesse sind

• die Verbrennung fossiler Energieträger und die damit verbundene Emission von Stickstoffoxiden (NO_x),
• die Synthese von Ammoniak (NH₃) mit dem Haber-Bosch-Verfahren (hauptsächlich zur Düngemittelproduktion) sowie
• der Anbau von Hülsenfrüchten.

Ein Teil des reaktiven Stickstoffs gelangt als Emission ungenutzt in die Umwelt. Das Umweltbundesamt lässt die Emissionen und die Beiträge unterschiedlicher Verursacherbereiche regelmäßig bilanzieren. Der aktuellsten Bilanzierung zu Folge beträgt die jährliche Gesamtemission von gasförmigem 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 Oberflächenablauf freigesetzt. Der Großteil entweicht als Ammoniak in die Luft, gefolgt vom Nitrateintrag in Oberflächengewässer, den NOx-Emissionen und der Lachgas-Freisetzung in die Atmosphäre.

Durch die übermäßige Freisetzung reaktiver Stickstoffverbindungen werden natürliche Stoffkreisläufe und Ökosystembeziehungen empfindlich gestört. Erhebliche nachteilige Wirkungen für Mensch und Umwelt sind die Folge.

• Die weiträumige Nährstoffübersättigung (Eutrophierung) und Versauerung von Ökosystemen hat nachhaltige Folgewirkungen, wie zum Beispiel den Verlust an biologischer Vielfalt.
• Die Auswaschungen von Nitrat gefährden die Qualität des Trinkwassers.
• Erhöhte Emissionen von Lachgas führen zu einer zusätzlichen Verschärfung des Klimawandels und schädigen die stratosphärische Ozonschicht.
• Gasförmige Stickstoffverbindungen sind Vorläuferstoffe von bodennahem Ozon und sekundären Feinstäuben und damit ein Risiko für die menschliche Gesundheit.
• Erhöhte Ammoniak- und Ozonkonzentrationen in der Atmosphäre führen in Europa zu weiträumigen Schädigungen empfindlicher Pflanzen.
• Stickstoffdioxid schädigt die Atemwege und so die menschliche Gesundheit.

Durch die Wandlungs- und Transportfähigkeit des Stickstoffs können Minderungsmaßnahmen in einem Umweltbereich unter Umständen dazu führen, Probleme in einen anderen Bereich zu verschieben und sie dort noch zu verstärken. Um die Emissionen reaktiver Stickstoffverbindungen wirksam zu reduzieren und die vielfältigen negativen Umweltwirkungen zu mindern, bedarf es deshalb integrierter Konzepte. Das Umweltbundesamt arbeitet seit vielen Jahren daran und unterstützt das Bundeumweltministerium bei der Entwicklung einer Stickstoffstrategie und eines Aktionsprogramms zu Stickstoffminderung. 2015 drängte auch der Sachverständigenrat für Umweltfragen darauf, die Bundesregierung möge zur Lösung der Problematik eine Strategie entwickeln. Auch auf internationaler Ebene werden in jüngster Zeit verstärkt überregionale und medienübergreifende Lösungsansätze entwickelt.

Integrierte Stickstoff-Emissionsminderung

Trotz langjähriger Anstrengungen, die Stickstoffeinträge in die Umwelt zu reduzieren, wurden die meisten stickstoffbezogenen Umweltqualitäts- und -handlungsziele bisher nicht erreicht.

• Wegen der anhaltenden Überdüngung von Ökosystemen als Folge der Stickstoffeinträge schreitet der Verlust an biologischer Vielfalt unvermindert fort.
• Geltende Richt- und Grenzwerte zum Schutz der Gewässer vor Nitrateinträgen sowie zum Schutz der menschlichen Gesundheit vor einer Gefährdung durch NO2, Feinstaub und Ozon in der Außenluft werden überschritten.
• Die Minderungsverpflichtungen der NEC-Richtlinie zur Reduzierung der Ammoniak- und Stickstoffoxid-Emissionen. kann Deutschland nicht ohne weitere Maßnahmen erreichen.
• Eine Stabilisierung der Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre, um eine gefährliche anthropogene Störung des Klimasystems zu verhindern, erfordert auch eine Minderung der Freisetzung von Lachgas (N₂O).

Bisherige Maßnahmen zur Minderung der Stickstoffemissionen waren häufig zu wenig effektiv, da sich gesetzliche Vorgaben und Regelungen auf einzelne Emissionsbereiche beschränkten oder nur eine Umweltwirkung bzw. ein Schutzgut betrafen.

Aufgrund der Komplexität des Stickstoffproblems ist es sinnvoll, alle Verursacherbereiche und betroffenen Umweltmedien zusammen zu betrachten. Unabhängige Bewertungen einzelner stickstoffbezogener Umweltprobleme, wie die Beeinträchtigung von Gewässer- oder Luftqualität, bergen das Risiko in sich, wichtige Wechselwirkungen zu übersehen. Für die Politik lohnt sich ein integrierter Ansatz zur Lösung des Stickstoffproblems, weil ein ressortübergreifendes, einheitliches Politikverständnis Voraussetzung für gemeinsames Handeln ist. Das Problem als Ganzes zu erkennen, zu begreifen und zu vermitteln, kann die Bereitschaft zur Änderung von Lebensstilen erhöhen und so gesellschaftliche Transformationsprozesse in den Bereichen Ernährung, Mobilität und Energienutzung unterstützen. Denn Veränderungen in diesen Bereichen können zur Reduzierung der Stickstoffüberschüsse in der Umwelt beitragen. Auch innerhalb eines Einzelsektors unterstützt ein integrierter Ansatz effektive Lösungswege, da sich mit einer übergreifenden Betrachtung synergetische Wirkungen von Maßnahmen erkennen lassen. So ist es beispielsweise bei stickstoffmindernden Maßnahmen in der Landwirtschaft sinnvoll, gleichermaßen Potentiale für Luftreinhaltung, Klimaschutz und Gewässerschutz zu bewerten, um effiziente Maßnahmenkombinationen erkennen zu können.

Auch das BMU arbeitet derzeit an einer integrierten Lösung zur nationalen Stickstoffminderung. Das UBA unterstützte diesen Prozess mit einem Forschungsprojekt, in dem u.a. ein sektorübergreifender Maßnahmenkatalog von etwa 100 Minderungsoptionen entwickelt wurde, mit dem sich Maßnahmenoptionen nach einheitlichen Kriterien und Bewertungsstufen auswählen lassen.

Eine nationale Stickstoff-Obergrenze

Um den Umfang notwendiger Minderungserfordernisse der verschiedenen Stickstoffverbindung auf einen Blick sichtbar zu machen und überprüfen zu können, ließ das Umweltbundesamt im Rahmen eines Forschungsprojektes eine wirkungsorientierte, integriertes Stickstoffobergrenze für Deutschland ableiten. Das integrierte Ziel markiert die maximale Menge Stickstoff, die in Deutschland pro Jahr freigesetzt werden darf, um die gegenwärtig gesetzten Umwelt- und Gesundheitsziele zu erreichen. Es setzt also einen quantitativen Rahmen für einen verträglichen 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 ab 2030 auf jährlich 1.000 kt N a^-1 (oder 1 Mio. t) für Deutschland begrenzt werden. Gegenüber der derzeitigen Freisetzung müsste die jährliche 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. Derzeitige Prognosen lassen erwarten, dass sich die Obergrenze erreichen ließe, wenn die aktuellen Regeln zur Luftreinhaltung, zum Klimaschutz und das Düngerecht bis 2030 auch in der Praxis an allen Stellen eingehalten werden.

Dennoch wäre dann nur eine erste Etappe erreicht, denn langfristig sind darüber hinaus gehend weitere Minderungen erforderlich, um einen guten Umweltzustand aller stickstoffbelasteten Bereiche in Deutschland flächendeckend zu erreichen. Dennoch setzt das Instrument ein wichtiges Signal für Zusammenarbeit und gesamtgesellschaftliches Handeln über verschiedene Bereiche aus Politik und Gesellschaft hinweg.

Internationale Initiativen zur Stickstoff-Emissionsminderung

Die Überlastung von Ökosystemen 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 verträglich ist. Durch steigenden Energiebedarf und das Bevölkerungswachstum ist von einer weiteren Verschärfung der Problematik auszugehen. Es handelt sich um ein globales Querschnittsproblem des Umweltschutzes.

Dabei treten regionale Unterschiede auf, nach denen sich die Probleme und Lösungsansätze in Afrika, Europa, Südamerika oder Süd-Ost Asien teilweise fundamental voneinander unterscheiden und dennoch über globale Stickstoffströme miteinander in der Verbindung stehen. Während 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 Emissionsminderungsmaßnahmen. Um zentrale humanitäre Probleme wie Hunger, Zugang zu sauberem Trinkwasser und Leben in sauberer Luft, unzureichendes Abwassermanagement, Verlust von Artenvielfalt, Verschmutzung von Küstengewässern und Klimawandel zu lösen, bedarf es auch auf internationaler Ebene aufeinander abgestimmte stickstoffbezogene Politiken. Ein übergreifendes globales Management mit Hilfe integrierter Lösungsansätze 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 verstärkt zu nutzen.

Verschiedene europäische und weltweite Netzwerke von Wissenschaftlern und politiknahen Akteuren machen daher seit einigen Jahren verstärkt 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 Biodiversität (CBD), die Konvention über grenzüberschreitenden Luftverunreinigungen (CLRTAP), die Klimarahmenkonvention (UNFCCC), die Welternährungsorganisation (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 stärken und gleichzeitig negative Wirkungen auf Menschen und Umwelt zu minimieren. Das Umweltbundesamt richtete zusammen mit dem Bundesumweltministerium die 8. Globale Konferenz der INI als virtuelle Konferenz aus. Einige Hundert Wissenschaftler und politische Vertreter aus der ganzen Welt kamen dazu im Jahr 2021 zusammen, um unter der Überschrift „Stickstoff und die UN Nachhaltigkeitsziele“ das neuste Wissen zu Bewertungs- und Lösungsansätzen auszutauschen. Die Empfehlungen der Konferenzteilnehmer an die Politik sind in der so genannten „Berlin Declaration“ niedergeschrieben.