Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Stickstoff bleibt lange Zeit im Boden

05.11.2013
Als Dünger eingebrachter Nitrat-Stickstoff kann bis zu acht Jahrzehnte im Boden verbleiben.

Die Verunreinigung von Trinkwasser durch Stickstoff in Form von Nitrat ist ein Problem unserer Zeit. Auch wenn viele Mechanismen, die mit der Düngung und Aufnahme von Nährstoffen durch Pflanzen zusammen hängen, bereits ausführlich untersucht wurden, ist bisher kaum bekannt, wie lange der als Nitrat eingebrachte Stickstoff wirklich im Boden bleibt. Wissenschaftler haben jetzt ihre Ergebnisse aus einem dreißig Jahre dauernden Langzeitexperiment veröffentlicht.


Bodenprofil: Was passiert mit dem Nitrat im Boden? (Quelle: © iStockphoto.com/klikk)

Nitrat im Boden

Nitrat (NO3-) ist eine Stickstoffverbindung, die direkt von den Pflanzen aufgenommen werden kann. Es gelangt hauptsächlich durch Düngung landwirtschaftlicher Flächen in den Boden, aber auch durch übermäßige Düngung von Gärten oder durch undichte Abwasserleitungen. Nitrat wird ebenfalls von Mikroorganismen gebildet. Sie wandeln dabei Ammonium-Ionen in Nitrat um (Nitrifikation).

Da Nitrat-Ionen negativ geladen sind, werden sie von den überwiegend ebenfalls negativ geladenen Bodenteilchen (Humus, Tonminerale) nur schlecht festgehalten („sorbiert“) und schnell ausgewaschen.

Die Gefahren von hohen Nitrat-Konzentrationen

In der Nahrung kann Nitrat in hohen Mengen gesundheitsschädlich wirken: Im menschlichen Darm wird es über Nitrit zu den krebserregenden Nitrosaminen umgewandelt. Daher darf Nitrat einen gewissen Grenzwert im Trinkwasser (in Deutschland 50 mg/l) nicht überschreiten. Besonders betroffen sind Kleinkinder im Alter von ein bis drei Jahren. Durch den Verzehr von z.B. Spinat mit hohen Nitrat-Gehalten erhöht sich das Risiko an Methämoglobinämie zu erkranken – eine Erkrankung, die zu einer verminderten Sauerstoffversorgung des Körpers führt.

Neben der Belastung des Trinkwassers kann ein zu hohes Nitratangebot auch zur Überdüngung (Eutrophierung) von Gewässern beitragen. In Deutschland wird das Ausbringen von Wirtschaftsdünger (meist in Form von Gülle, d. h. Exkremente von Nutztieren) durch die Düngeverordnung (DüV) von 1996 geregelt. Diese soll verhindern, dass zu viele Nährstoffe in den Boden und damit in das Grundwasser gelangen.

Boden unter der Lupe

Die Vorgänge, die zur Eutrophierung und zur Belastung des Trinkwassers führen sind gut untersucht. Relativ unbekannt ist aber, wie lange der einmal eingebrachte Stickstoff sich im Boden aufhält und welche Veränderungen er durchmacht, bis er wieder im Grundwasser auftaucht.

Für Praktiker ist Stickstoff ein essentiell notwendiger Nährstoff, der nicht in Vorratsspeicherung, sondern unmittelbar in der Vegetationsperiode zur Verfügung gestellt werden muss. Nur so ist Stickstoff pflanzenphysiologisch wirksam und fördert deren Wachstum. Die nun vorliegenden Ergebnisse werfen ein etwas anderes Licht auf den Makronährstoff Stickstoff.

Für ihre Untersuchungen nutzten die Wissenschaftler zwei Lysimeter. Lysimeter bestehen in der Regel aus 2 mal 2 mal 2 Meter großen Zylindern, die in den Boden eingelassen werden. Sie werden mit einem unveränderten Bodenstück befüllt. Die in den Zylinder eingebauten Messinstrumente ermöglichen die Untersuchung verschiedener Bodenparameter wie Nährstoffhaushalt und Sickerwasseraustrag.

In der vorliegenden Untersuchung wurden beide Lysimeter mit Ackerboden befüllt. Es wurden im Wechsel Zuckerrüben und Winterweizen angebaut. Zu Beginn des Experiments im Jahr 1982 bekam jedes Lysimeter eine einmalige Gabe Nitratdünger, der mit dem stabilen Stickstoff-Isotop N-15 angereichert war. Da N-15 in der Natur nur relativ selten vorkommt, konnte so der Weg dieser Stickstoffgabe gut verfolgt werden. Pflanzenmasse, Böden und Sickerwasser wurden regelmäßig untersucht.

Der Weg des Stickstoffs

Der 1982 eingebrachte Nitrat-Stickstoff konnte auch fast 30 Jahre nach dem Eintrag noch nachgewiesen werden. Nach 27 Jahren (2009) waren knapp über 60 Prozent von den Pflanzen aufgenommen worden. Insgesamt konnten noch mehr als 10 Prozent des ursprünglich eingebrachten Nitrats im Boden nachgewiesen werden.

Diese Ergebnisse bestätigten im Wesentlichen die Erwartungen: Nitrat wird zu einem großen Teil von den Pflanzen und Bodenorganismen aufgenommen, der Rest wird über das Sickerwasser ausgewaschen. Auffällig war allerdings, dass entgegen der Erwartungen auch knapp 30 Jahre später noch immer markiertes Nitrat im Sickerwasser gefunden werden konnte. Daher untersuchten die Forscher dieses Nitrat zusätzlich auf seine Herkunft.

Bodenorganismen bauen Nitrat um

Dazu betrachteten sie den in das Nitrat-Molekül eingebauten Sauerstoff genauer: Sauerstoff kommt in der Natur neben dem „normalen“ Sauerstoffatom (O16) auch als schweres Isotop (O18) vor. Dieses Isotop hat im Bodenwasser eine geringere Konzentration als im Oberflächenwasser. Der Sauerstoff, der im Sickerwasser-Nitrat eingebaut war, wies ebenfalls eine geringere Konzentration an schweren Isotopen auf als jener, der im ursprünglichen Dünger-Nitrat eingebaut war. Daraus schlossen die Forscher, dass das Sickerwasser-Nitrat im Boden neu gebildet wurde, mit Sauerstoff aus dem Boden. Für sie galt dies als Beweis dafür, dass das ursprünglich eingebrachte Nitrat durch Bodenorganismen verwertet und der Stickstoff später durch den Vorgang der Nitrifikation in neue Nitratmoleküle eingebaut wurde.

Der ursprünglich eingebrachte Nitrat-Stickstoff wurde also über 27 Jahre hinweg in anderer Form gespeichert und nach und nach wieder zu Nitrat zusammengebaut und an das Wasser abgegeben. So erklärt sich, warum nach 27 Jahren noch markierte Nitrat-Ionen in der Lösung waren, obwohl Nitrat im Boden nur schlecht sorbiert wird und eigentlich schnell verschwinden sollte.

Nitrateinträge halten sich lange

Die Forscher schätzen, dass es noch mindestens weitere 50 Jahre dauern wird, bis der markierte Stickstoff im Boden nicht mehr nachweisbar sein wird. Das bedeutet, dass auch noch weitere fünf Jahrzehnte markierter Nitrat-Stickstoff im Sickerwasser auftauchen wird. Es werden also auch weiterhin kontinuierlich kleine Mengen von N-15-Nitrat (pro Jahr etwa 4 bis 5 Prozent des noch vorhandenen N-15-Stickstoffs) an das Sickerwasser abgegeben.

Diese Ergebnisse decken sich mit Untersuchungen anderer Forscherteams, zum Beispiel am Mississippi-River in den USA, wo auch nach dem starken Absenken von Düngergaben über Jahre keine Verringerung der Nitratlast in den untersuchten Gewässern festgestellt werden konnte. Daher wird es für die Zukunft wichtig, bei Berechnungen der Düngermengen die hier beobachteten Verzögerungen mit einzubeziehen. Denn offenbar belasten sogar einmalige Nitratgaben das Grundwasser viel länger, als bisher angenommen wurde. Andererseits bietet sich auch die Chance, die Mikroorganismen gezielter als Speicher für Stickstoff zu nutzen. Vorausgesetzt dieser wird in einer für die Pflanzen verfügbaren Form und zum richtigen Zeitpunkt abgegeben.

Quelle:
Sebilo, M. et al (2013): Long-term fate of nitrate fertilizer in agricultural soils. In: Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) (21. Oktober 2013), doi: 10.1073/pnas.1305372110.
Zum Weiterlesen:
Ein Weidegras macht die Landwirtschaft grüner - Brachiaria verhindert, dass Stickstoffdünger aus dem Boden entweicht
Schuld ist der Stickstoff - Kohlendioxid-Ausstoß in Folge von veränderter Landnutzung wurde unterschätzt

Grundwasser-Inventur alarmiert Wissenschaftler und Praktiker

Sebilo, M. et al | Pflanzenforschung.de
Weitere Informationen:
http://www.pflanzenforschung.de/index.php?cID=9484

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Ökologie Umwelt- Naturschutz:

nachricht Ins Herz der Blaualgenblüte: IOW-Segelexpedition „BloomSail“ geht an den Start
22.05.2018 | Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde

nachricht Totes Holz für mehr Leben im See
18.05.2018 | Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Ökologie Umwelt- Naturschutz >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Raumschrott im Fokus

Das Astronomische Institut der Universität Bern (AIUB) hat sein Observatorium in Zimmerwald um zwei zusätzliche Kuppelbauten erweitert sowie eine Kuppel erneuert. Damit stehen nun sechs vollautomatisierte Teleskope zur Himmelsüberwachung zur Verfügung – insbesondere zur Detektion und Katalogisierung von Raumschrott. Unter dem Namen «Swiss Optical Ground Station and Geodynamics Observatory» erhält die Forschungsstation damit eine noch grössere internationale Bedeutung.

Am Nachmittag des 10. Februars 2009 stiess über Sibirien in einer Höhe von rund 800 Kilometern der aktive Telefoniesatellit Iridium 33 mit dem ausgedienten...

Im Focus: Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

Passt eine ultrakalte Wolke aus zehntausenden Rubidium-Atomen in ein einzelnes Riesenatom? Forscherinnen und Forschern am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart ist dies erstmals gelungen. Sie zeigten einen ganz neuen Ansatz, die Wechselwirkung von geladenen Kernen mit neutralen Atomen bei weitaus niedrigeren Temperaturen zu untersuchen, als es bisher möglich war. Dies könnte einen wichtigen Schritt darstellen, um in Zukunft quantenmechanische Effekte in der Atom-Ion Wechselwirkung zu studieren. Das renommierte Fachjournal Physical Review Letters und das populärwissenschaftliche Begleitjournal Physics berichteten darüber.*)

In dem Experiment regten die Forscherinnen und Forscher ein Elektron eines einzelnen Atoms in einem Bose-Einstein-Kondensat mit Laserstrahlen in einen riesigen...

Im Focus: Algorithmen für die Leberchirurgie – weltweit sicherer operieren

Die Leber durchlaufen vier komplex verwobene Gefäßsysteme. Die chirurgische Entfernung von Tumoren ist daher oft eine schwierige Aufgabe. Das Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS hat Algorithmen entwickelt, die die Bilddaten von Patienten analysieren und chirurgische Risiken berechnen. Leberkrebsoperationen werden damit besser planbar und sicherer.

Jährlich erkranken weltweit 750.000 Menschen neu an Leberkrebs, viele weitere entwickeln Lebermetastasen aufgrund anderer Krebserkrankungen. Ein chirurgischer...

Im Focus: Positronen leuchten besser

Leuchtstoffe werden schon lange benutzt, im Alltag zum Beispiel im Bildschirm von Fernsehgeräten oder in PC-Monitoren, in der Wissenschaft zum Untersuchen von Plasmen, Teilchen- oder Antiteilchenstrahlen. Gleich ob Teilchen oder Antiteilchen – treffen sie auf einen Leuchtstoff auf, regen sie ihn zum Lumineszieren an. Unbekannt war jedoch bisher, dass die Lichtausbeute mit Elektronen wesentlich niedriger ist als mit Positronen, ihren Antiteilchen. Dies hat Dr. Eve Stenson im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching und Greifswald jetzt beim Vorbereiten von Experimenten mit Materie-Antimaterie-Plasmen entdeckt.

„Wäre Antimaterie nicht so schwierig herzustellen, könnte man auf eine Ära hochleuchtender Niederspannungs-Displays hoffen, in der die Leuchtschirme nicht von...

Im Focus: Erklärung für rätselhafte Quantenoszillationen gefunden

Sogenannte Quanten-Vielteilchen-„Scars“ lassen Quantensysteme länger außerhalb des Gleichgewichtszustandes verweilen. Studie wurde in Nature Physics veröffentlicht

Forschern der Harvard Universität und des MIT war es vor kurzem gelungen, eine Rekordzahl von 53 Atomen einzufangen und ihren Quantenzustand einzeln zu...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

Visual-Computing an Bord der MS Wissenschaft

17.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Junger Embryo verspeist gefährliche Zelle

22.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Raumschrott im Fokus

22.05.2018 | Physik Astronomie

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics