Stickstoff im Boden sorgt für saubere Luft

Überdüngung schadet der Umwelt in vielerlei Hinsicht. Auf unerwartete Weise kann Stickstoffdünger ihr aber auch nutzen. Und auch sauren Böden, die das Waldsterben begünstigen, lässt sich offenbar etwas Positives abgewinnen.

Wie Forscher der Abteilung Biogeochemie des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz festgestellt haben, stärkt Stickstoffdünger nämlich indirekt die Selbstreinigungskraft der Atmosphäre. Ihrer Studie zufolge entsteht in gedüngtem Ackerboden salpetrige Säure, die in die Atmosphäre entweicht – und zwar desto mehr je saurer der Boden ist.

In der Luft bewirkt die salpetrige Säure die Bildung von Hydroxylradikalen, die Schadstoffe oxidieren, so dass sie ausgewaschen werden. Bislang hatten Geowissenschaftler diesen Effekt nicht berücksichtigt. Die Lücke haben die Max-Planck-Forscher nun geschlossen.

Unsere Luft reinigt sich teilweise selbst, indem Schadstoffe durch Hydroxylradikale oxidiert und durch Regen ausgewaschen werden. Forscher des Max-Planck-Instituts in Mainz und Kollegen aus Peking haben jetzt herausgefunden, woher ein Großteil der salpetrigen Säure stammt, die neben Ozon als Quelle für Hydroxylradikale wirkt. Demnach wird die Säure in beachtlichen Mengen vom Erdboden an die Atmosphäre abgegeben. In stickstoffhaltigen Böden entsteht die Säure aus Nitrit-Ionen, die wiederum aus mikrobiologischen Umwandlungen von Ammonium- und Nitrat-Ionen stammen. Je saurer der Boden ist und je mehr Nitrit er enthält, umso mehr salpetrige Säure wird freigesetzt. Über diesen Weg entweicht also auch ein Teil des Stickstoffs aus gedüngten Ackerböden in die Luft.

In der neuesten Ausgabe des Forschungsmagazins Science beschreiben die Mainzer Forscher, wie sie den bisher unbeachteten Pfad im Stickstoffkreislauf nachgewiesen haben. Sie maßen die Konzentration an HONO – so lautet eine chemische Darstellung für gasförmige salpetrige Säure –, die aus einem definierten Volumen Ackerboden entweicht. Dazu setzen sie einer Bodenprobe Nitrit zu und veränderten anschließend den Wassergehalt. Die dabei freigesetzte HONO-Menge stimmt gut mit der Menge überein, die die Forscher in Berechnungen der Säure-Basen- und Löslichkeitsgleichgewichte abgeschätzt hatten. Damit konnten sie auch die hohen HONO-Werte erklären, die in früheren Untersuchungen über gedüngten landwirtschaftlichen Böden gemessen wurden.

Lange war die Quelle der beobachteten großen HONO-Konzentrationen in der bodennahen Atmosphäre ein Rätsel geblieben. „Böden sind sehr komplexe Systeme, in denen zahlreiche chemische Substanzen und Mikroorganismen miteinander wechselwirken“, sagt Hang Su, Erstautor der Veröffentlichung. „Den Austausch von salpetriger Säure zwischen Boden und Luft scheint bisher niemand untersucht zu haben.“

Die Emission von salpetriger Säure aus dem Erdboden hat den Forschern zufolge nicht nur lokale, sondern auch globale Bedeutung für die Luftqualität und den Stickstoffkreislauf. „In interdisziplinärer Zusammenarbeit mit Boden- und Klimaforschern wollen wir daher als nächstes den Effekt für verschiedene Bodentypen und Umgebungsbedingungen quantifizieren“, sagt Forschungsgruppenleiter Ulrich Pöschl. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sollen dann in ein globales Modell einfließen.

Die Max-Planck-Forscher vermuten nämlich, dass die Freisetzung von HONO aus Ackerböden aufgrund vermehrten Einsatzes von Düngemitteln, zunehmender Bodenversauerung, und klimabedingter Temperaturerhöhungen besonders in Entwicklungsländern deutlich ansteigen könnte. Dadurch werden voraussichtlich mehr Hydroxylradikale entstehen, die die Oxidationskraft der Luft erhöhen.

Über das Max-Planck-Institut für Chemie
Am Max-Planck-Institut für Chemie (260 Mitarbeiter) werden die Erde und ihre Atmosphäre in unterschiedlichen Größenbereichen, vom Nanopartikel bis zum Planeten und von der Ökosystemdynamik bis zum globalen Klimawandel erforscht. Drei Abteilungen untersuchen das Erdsystem in Feldstudien, unter Laborbedingungen und mit Hilfe von computergestützten Modellsystemen. Somit trägt das Institut zum grundlegenden Verständnis der natürlichen Ressourcen der Erde bei und liefert notwendige Methoden für deren nachhaltige Nutzung und den Schutz der Umwelt. Mit einer International Research School und einem E-Learning Programm beteiligt sich das Institut auch aktiv an der Wissenschaftsausbildung. Das Max-Planck-Institut für Chemie beteiligt sich aktiv am Veranstaltungsprogramm 2011 zur Stadt der Wissenschaft in Mainz. Im nächsten Jahr feiert das Institut sein 100-jähriges Bestehen.

Weitere Informationen: http://www.mpic.de

Originalveröffentlichung:
Hang Su, Yafang Cheng, Robert Oswald, Thomas Behrendt, Ivonne Trebs, Franz X. Meixner, Meinrat O. Andreae, Peng Cheng, Yuanhang Zhang & Ulrich Pöschl
Soil nitrite as a source of atmospheric HONO and OH radicals
Science, 18 August 2011
Kontakt:
Dr. Hang Su
Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz
Tel.: +49 6131-305 426
E-Mail: h.su@mpic.de
Dr. Ulrich Pöschl
Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz
Tel.: +49 6131-305 422
E-Mail: u.poschl@mpic.de