Die dunkle Seite des Düngers

Schon seit 1980 hat der Stickstoff-Dünger seinen Grenznutzen überschritten. Nun ist klar: Die Überdüngung hat ein mächtiges Treibhausgas erzeugt – Lachgas. Das hat auch mit bestimmten Einzellern zu tun, den Archaeen.

Bis 1977 wusste man nicht einmal, dass es sie als eine eigenständige Gruppe gibt, diese einzelligen Organismen, die man für Bakterien hielt. Derzeitige Evolutionsmodelle gehen davon aus, dass Archaea vor etwa vier Milliarden Jahren entstanden sind, unmittelbar nach der Bildung der Erde, vielleicht in einer porösen Gesteinsschicht in der Tiefsee.

Archaeen sind Mikroorganismen, viele unter einem Mikrometer groß, also kleiner als das Tausendstel eines Millimeters. Sie waren wahrscheinlich gemeinsam mit Bakterien die ersten Lebewesen dieses Planeten, und es gibt sie überall: in kochend heißen Quellen, im Permafrost, in Sümpfen, in Mooren, in den Tiefen der Ozeane, im Gestein und in den Gedärmen von Termiten und Säugetieren, vor allem aber auch im Boden.

Unterschätzte Lebewesen

Weil Archaeen besonders gut darin sind, alles Mögliche in Energie umzuwandeln – Mangan, Schwefel oder auch Licht –, spielen sie eine wichtige Rolle für das Klima auf unserer Erde: Sie sind ein Faktor für die Produktion und Umwandlung der wichtigsten Treibhausgase, also von Kohlenstoffdioxid, von Methan und von Lachgas. Letzteres ist eine Form von Stickstoff, jenem Baustein des Lebens, ohne den es uns nicht gäbe. Lachgas gehört aber zu den besonders problematischen Treibhausgasen.

Um die einzigartige Rolle der Archaeen in der Evolution und in den Klimaprozessen zu verstehen, müssen wir kurz an den Anfang der Erdgeschichte zurückgehen. Archaeen sind eigentlich unsere Urahnen: Die Erde war vor vier Milliarden Jahren extrem heiß, es gab eine andere Atmosphäre, keinen Sauerstoff, keine Pflanzen und Tiere.

Die ersten Vorläufer der Pflanzen und Tiere konnten nur entstehen, weil sich Archaeen und Bakterien rund zwei Milliarden Jahre nach ihrer Entstehung zu einem neuen, gemeinsamen Organismus verbunden haben. Aus diesem entwickelten sich die komplexeren Lebewesen, deren Zellen einen Zellkern haben, die Eukaryoten. Die ersten Organismen dieser neuen Domäne waren ebenfalls einfache Einzeller, aber von ihnen aus konnten sich im Lauf der Evolution Pilze, Pflanzen und Tiere entwickeln.

Anders als Bakterien

Dass Archaeen neben Bakterien dabei eine entscheidende Rolle spielten, vermutet man deshalb, weil alle Eukaryoten, auch wir, genetische Prozesse mit den Archaeen teilen, nicht aber mit den Bakterien. Dass Archaeen tatsächlich an der Entstehung der komplexeren Lebewesen beteiligt waren, wird durch neue Entdeckungen bestärkt: Wir konnten kürzlich das Archaeon Lokiarchaeum ossiferum kultivieren und eingehend untersuchen. Diese Archaeen leben in den Sedimenten der Meere, Seen und Flüsse, und wie die Untersuchung gezeigt hat, bilden sie bereits ein komplexes Zytoskelett, wie es die Zellen der Pflanzen und Tiere auch haben.

In der wechselvollen Klimageschichte der Erde haben die Archaeen des Bodens unter anderem durch die Umwandlung von Ammoniumstickstoff in Nitrit mit dafür gesorgt, dass sich die globalen Temperaturen auf dem für das Leben auf diesem Planeten günstigen Niveau eingependelt haben und dort bis jetzt stabil bleiben.

Denn: Die sogenannten Ammonium-Oxidierer sitzen an einer Schlüsselstelle des Stickstoffkreislaufs. Sie haben durch ihre Aktivität vor Millionen Jahren buchstäblich den fruchtbaren Boden für die Pflanzen bereitet. Sie machen nämlich aus Ammonium Nitrit, das dann von Bakterien in Nitrat umgewandelt wird, das die Pflanzen brauchen. Doch die Aktivität dieser Archaeen hat auch eine Schattenseite: Im Prozess der Umwandlung von Stickstoff entsteht auch Lachgas.

Vom Lachgas zum Klimawandel

Der Stickstoffkreislauf wird heute in seiner Bedeutung für den Klimawandel zumeist unterschätzt. Im Boden wird Stickstoff aus der Luft sowie aus Exkrementen, Urin und abgestorbenen Pflanzen und Tieren zuerst in Ammonium und Ammoniak umgewandelt, dann zu Nitrit und schließlich zu Nitrat, bevor er wieder als Stickstoff in einer Pflanze oder einem Tier verbaut wird oder als Lachgas oder reiner Stickstoff wieder in die Atmosphäre gelangt. Dieser Kreislauf sichert die Verfügbarkeit von Stickstoff, dem Baustoff, aus dem Proteine sind.

Auch wir sind von diesem Kreislauf abhängig. Zum einen entfernen Pflanzen CO₂ aus der Atmosphäre, und zum anderen ist der pflanzliche Stickstoff eine lebenswichtige Grundlage unserer Ernährung – egal ob wir ihn in Form von Pflanzenproteinen oder von Fleisch zu uns nehmen.

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Zahlen & Fakten

Aus dem Lot

• Stickstoff ist in jedem Protein und somit in jedem Lebewesen zu finden. Er zirkuliert stetig zwischen Organismen, Böden und Atmosphäre. Unsere Atemluft besteht zu 78 Prozent aus Stickstoff. Auch unsere DNA ist aus Stickstoffverbindungen gemacht. Der Stickstoff wird beim Austausch zwischen Organismen und Atmosphäre immer wieder umgewandelt.
• Im natürlichen Kreislauf wird der Stickstoff stets wiederverwertet, unter anderem durch die Aktivität von Archaea. Wenn ein Lebewesen stirbt, wird Stickstoff durch Insekten, Pilze und Bakterien herausgelöst und zu Ammonium, dieses zu Nitrit, dann zu Nitrat und somit zu einem für Pflanzen verwertbaren Stoff. Manche Bakterien können auch Stickstoff aus der Atmosphäre umwandeln.
• Der Kunstdünger hat diesen Kreislauf durcheinandergebracht, weil er zusätzlich künstlich hergestellten Stickstoff in die Systeme trägt, der nicht mehr von Pflanzen aufgenommen werden kann. Er gelangt als Nitrat in die Gewässer und als Lachgas in die Atmosphäre. Der überschüssige Stickstoff bedroht inzwischen Ökosysteme und Klima.

Lange dachte man, dass dieser Kreislauf und diese stetige Umwandlung von Stickstoff vor allem von Bakterien aufrechterhalten wird, doch vor 15 Jahren wurde erkannt, dass auch Archaeen diesen Kreislauf mit in Gang gesetzt haben und ihn mit am Laufen halten.

Sowohl Ammonium als auch Nitrat (das aus Nitrit entsteht) dienen den Pflanzen als Nährstoffe, aber nur durch die Bildung von Nitrat kann der Stickstoff letztendlich (durch sogenannte denitrifizierende Bakterien) in die Atmosphäre zurückgeführt werden, um den gesamten Kreislauf zu schließen.

Die Bodenbildner

2005 haben wir die Archaeen, die Ammoniak-Oxidierer, erstmals im Boden gefunden. Bis dahin nahm man an, dass sie im Boden gar nicht leben können, aber tatsächlich scheinen sie dort besonders zu florieren. In der damaligen Studie haben wir an mehreren Standorten in Europa speziell in den Ackerböden eine dreitausendfach größere Menge spezieller Archaeen-Gene entdeckt als die Menge der entsprechenden Gene von Bakterien.

Diese Erkenntnis war erstaunlich, weil sie alles auf den Kopf stellte, was man bis dahin zu wissen glaubte: Demnach sind nicht nur Bakterien für die Umwandlung von Stickstoff im Boden zuständig, sondern auch Archaeen. Da sie kleiner sind als die Bakterien, aber in höherer Zahl vorkommen, nimmt man an, dass sie ungefähr die Hälfte der Ammoniak-Oxidation im Boden übernehmen. Man vermutet, dass Archaeen auch bei der ersten Bodenbildung mitbeteiligt waren und die Nährstoffe für die ersten Pflanzen zur Verfügung stellten.

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Zahlen & Fakten

Evolution und Degradation

• Archaeen – oder, im lateinischen ­Plural, Archaea – gibt es fast seit Anbeginn der Erde.
• Extremisten. Die Vermutung ist, dass Archaeen vor vier Milliarden Jahren entstanden, vermutlich in Gestein. Viele von ihnen halten ­extreme Bedingungen aus – zum Beispiel hohe Salzkonzentrationen oder Temperaturen von über 100 Grad Celsius. Viele von ihnen brauchen keinen Sauerstoff.
• Bodenbereiter. Archaeen haben schon den ersten Landpflanzen, die vor rund 500 Millionen Jahren entstanden sind, Nährstoffe bereitgestellt. Ohne Archaeen gäbe es keine Pflanzen und keinen Boden: weder den C- noch den B-Horizont noch den wertvollen A-Horizont, die obere Bodenschicht. Die ­Archaeen im ­Boden sorgen auch heute für fruchtbaren Ackerboden und ge­sunde Ökosysteme.
• Atmosphäre und Klima. Weil Archaeen ganz am Anfang des Lebens auf der Erde stehen, sind sie auch die Mitschöpfer der wichtigsten Stoffkreisläufe der Erde, bei denen unter anderem Stickstoff in Nährstoffe umgewandelt werden und CO₂ ge­bunden wird. Somit gibt es eine sauerstoffreiche Atmosphäre und ein ausreichend warmes Klima.
• Das Düngerproblem. Heute gerät durch Kunstdünger und Massen­tierhaltung der Stickstoffkreislauf unter Druck. Es gelangt zu viel Lachgas in die Atmosphäre, und die Böden und Gewässer sind mit Nitrat und Nitrit übersättigt. Das mikro­bielle Leben des Bodens und somit der A-Horizont werden zerstört. 52 Prozent der Ackerflächen der Erde gelten als degradiert. Das bedeutet, sie bringen wenig Ertrag und können kein Wasser halten.

Dünger als Problem

Seither haben sich im Boden Symbiosen und Austauschprozesse zwischen Pflanzen und Mikroorganismen gebildet, die für den Aufbau von Humus sorgen, sobald Pflanzen und Tiere sterben und zersetzt werden. Die intensive Agrarwirtschaft, insbesondere die Erfindung des Kunstdüngers Anfang des 20. Jahrhunderts und die Entkopplung der Tierhaltung von der Weide, hat den natürlichen Stickstoffkreislauf inzwischen schwer durcheinandergebracht.

Vor gut hundert Jahren entwickelten Fritz Haber und Carl Bosch ein Verfahren, um Ammoniak als Düngemittel in großen Mengen aus dem Stickstoff in der Luft herzustellen. Man schätzt, dass bis heute der natürliche Stickstoffkreislauf der Erde durch dieses Haber-Bosch-Verfahren sowie die intensive Landwirtschaft verdoppelt wurde.

Das bedeutet: Jedes zweite Ammoniak- oder Nitratmolekül wurde zusätzlich zum natürlich vorkommenden Stickstoff-Pool in die Umwelt eingebracht. Die Herstellung von Kunstdünger ist zwar in Zeiten einer wachsenden Weltbevölkerung, die mit Nahrungsmitteln versorgt werden muss, wichtig, doch dieser verdoppelte Stickstoffkreislauf bedroht nun unsere Lebensgrundlagen.

Von Trinkwasser bis Klima

Drei Aspekte sind hier relevant: Erstens ist die mithilfe des Kunstdüngers entstandene industrialisierte Landwirtschaft kein „optimierter“ Prozess. Nur ein geringer Teil des Stickstoffs im Düngemittel gelangt wirklich in die Pflanzen. Schätzungen gehen davon aus, dass diese vielleicht gerade einmal zwanzig, höchstens aber dreißig Prozent aufnehmen und verbauen können. Das restliche Ammoniak wird von den Ammoniak- und Nitrit-oxidierenden Bakterien und Archaeen zu dem sehr gut in Wasser löslichen Nitrat umgewandelt.

Diese Wasserlöslichkeit ist ein Problem: Das Nitrat wird aus dem Boden in die Gewässer gespült und überdüngt Grundwasser, Flüsse, Seen und sogar die Meereszonen, wo es zu Algenblüte und sogenannter Eutrophierung kommt. Unser Grundwasser wird ungenießbar.

Zweitens sind Nährstoffüberschüsse immer problematisch für Ökosysteme, weil sie die Artenvielfalt zerstören. Durch die Verdoppelung der Menge des reaktiven Stickstoffs in den letzten einhundert Jahren gibt es heute leider kein Ökosystem mehr, das nicht unter den Auswirkungen der erhöhten Stickstoffbelastung leidet.

Mindestens ebenso problematisch wie die Überdüngung selbst ist der dritte Aspekt, und zwar die Entstehung von Lachgas, die aus der Überdüngung folgt. Lachgas ist ein 300-mal stärkeres Treibhausgas als CO₂ und entsteht in Böden und Gewässern, sobald zu viel Nitrat vorhanden ist und Sauerstoffmangel im Boden entsteht (z. B. durch starken Regen).

Seit Beginn der Industrialisierung hat sich durch Emissionen aus Boden und Wasser der Anteil von Lachgas in der Atmosphäre um 124 Prozent erhöht. Das Gas verbleibt ähnlich lang wie CO₂ in der Atmosphäre, rund 120 Jahre, und ist – trotz seines viel geringeren Anteils – ein wesentlicher Treiber der Erderhitzung. Ein zusätzliches Problem mit dem Lachgas ist außerdem noch, dass es nicht wieder in den Stickstoffkreislauf zurückfindet, sondern sich in die höheren Gefilde der Stratosphäre aufmacht, wo es die Ozonschicht zersetzt.

Landwirtschaft an der Grenze

Die wichtige Aktivität der Ammoniak-oxidierenden Archaeen und auch ihrer bakteriellen Partner in natürlichen Ökosystemen wird also zu einem Umweltproblem in einer Welt, die auf einer intensiven Landwirtschaft beruht, wie wir sie derzeit betreiben. So steuern wir auf eine Erderhitzung um drei Grad Celsius zu, mit allen bekannten Folgen einer teilweise unbewohnbaren Erde. Vor einigen Monaten wurde deutlich, dass die 1,5-Grad-Grenze nicht zu halten ist.

Wir brauchen also eine drastische Reduktion unseres Lachgasausstoßes ebenso, wie wir den Methan- und Kohlenstoffdioxidausstoß senken müssen. Zugleich müssen wir natürliche Ökosysteme wiederherstellen, weil sie durch die Aufnahme von CO₂ dazu beitragen, die Erhitzung zu begrenzen; wir dürfen auch nicht zulassen, dass das im Permafrost gespeicherte Methan (Methan ist ja im Übrigen auch ein Stoffwechselprodukt von Archaeen) freigesetzt wird.

Was wir tun können

Es ist also sehr wichtig, Lösungen zu finden. Unsere Erforschung der Archaeen, insbesondere ihre Wechselwirkung mit Pflanzen, und die Nutzung alternativer Düngemittel sollen dazu beitragen. Wir hoffen, dass in enger interdisziplinärer Zusammenarbeit zum Beispiel neue Nutzpflanzen gezüchtet werden können, die andere oder keine Düngemittel benötigen und die in positiver Wechselwirkung mit Ammoniak-oxidierenden Mikroorganismen effektiv gedeihen können, ohne dabei die Umwelt derartig zu belasten. Gerade in diesen Zeiten der großen Umweltbelastungen gewinnt die Forschung in der Mikrobiologie und insbesondere auch an Archaeen zunehmend an Bedeutung.

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