De stikstofkringloop: een verhaal over voedsel, bacteriën en oorlog

13-01-2022

Stikstof is onontbeerlijk voor het leven want het is een bouwsteen van aminozuren, eiwitten en DNA. Maar nu is gebleken dat de helft van de stikstof in onze weefsels niet uit de natuur afkomstig is, maar uit fabrieken. Dat komt omdat de mens zich is gaan bemoeien met de stikstofkringloop en op megalomane schaal stikstofhoudende kunstmest is gaan produceren. Gewassen groeien namelijk harder als ze meer stikstof krijgen. En nu zitten we in een situatie waarin de mensheid niet meer zonder die enorme kunstmestfabrieken kan. En dit alles begon bij een belangrijke wetenschappelijke doorbraak meer dan een eeuw geleden. In dit artikel pluizen we uit hoe de stikstofkringloop ineenzit, wat de mens ertoe aanzette die in de hoogste versnelling te zetten, hoe groot de gevolgen zijn, ... en hoe het anders kan. 

Auteur: Kathelijne Bonne.

Wat is stikstof?

De meeste akkers worden bemest met stikstof.
De meeste akkers worden bemest met stikstof.

Snel even terug naar de schoolbanken, stikstof is een chemisch element, het atoom met symbool N, dat op de zevende plaats staat in het welbekende Periodieke Systeem der Elementen. Naast koolstof, waterstof en zuurstof, is stikstof het belangrijkste en meest voorkomende element in levende wezens. Zoals de meeste atomen is N niet graag alleen, en gaat het verbindingen aan met andere atomen, zo krijgen we moleculen. Om de stikstof in onze weefsels te krijgen, moeten wij die opnemen als stikstofmoleculen. Op de figuur hieronder zie je enkele veelvoorkomende stikstofmoleculen. Ammoniak bijvoorbeeld is een gas dat bestaat uit stikstof en waterstof. Ammoniak wordt uitgestoten door landbouwactiviteiten, het reageert chemisch in de bodem en kan door plantenwortels worden opgenomen. Stikstofoxiden bestaan uit stikstof en zuurstof, en het is een belangrijk deeltje in rook en roet. Dan is er nog stikstofgas, dat bestaat uit twee stikstofatomen. Dit is het belangrijkste gas in de atmosfeer en de grootste bron van stikstof op aarde. 

De grote maalstroom

En wat is de stikstofkringloop? Dat is een van de biogeochemische kringlopen op aarde die het leven in stand houden en die zorgen voor een continu aanvoer en afvoer van stoffen die nodig zijn voor het leven. De stikstofkringloop op haar beurt zorgt voor een continu uitwisseling tussen de verschillende, bovenstaande vormen van stikstof. Er bestaan vele stikstofmoleculen, maar eigenlijk kunnen ze allemaal worden onderverdeeld in twee grote groepen: de ene groep kan worden opgenomen (geassimileerd, zegt men) door levende wezens, zoals ammoniak, dit is de reactieve "biologisch beschikbare stikstof"; en de andere groep niet, zoals stikstofgas uit de atmosfeer. (Ter vergelijking: stenen kan je niet opeten, ook al zit er koolstof, zuurstof, waterstof en stikstof in, vlees of groenten daarentegen kan je wel opeten). Het boeiende van zo'n kringloop is dat via biologische, chemische en geologische processen de ene naar de andere vorm kan worden omgezet. Ook elementen zoals koolstof, fosfor, zuurstof en waterstof reizen door biogeochemische kringlopen. En zo draaien alle elementen die nodig zijn voor het leven, vroeg of laat, door de grote maalstroom van de aardse processen.

Maar alle voorraden op aarde zijn eindig, en de kringlopen gaan zich ook niet haasten, daarom is er een natuurlijke grens aan hoeveel mondjes de natuur kan voeden. Schrander als hij is, had de mens in de negentiende eeuw al begrepen dat de groei van gewassen sterk afhankelijk was van de hoeveelheid stikstof in de bodem. En dat de bodem uitgeput kan raken. Het is de mens dan ook gelukt de natuur te slim af te zijn en die grenzen te overschrijden, door zelf de stikstofkringloop te gaan versnellen. Daarvoor moeten we meer dan een eeuw terug in de tijd. 

Welvarend Europa - meer monden om te voeden

In de negentiende eeuw was Europa welvarend geworden dankzij vele grote uitvindingen en technologische vooruitgang. De bevolking was sinds de Industriële Revolutie ook aan het uitdijen, er waren steeds meer - en grotere - monden om te voeden. Er moesten meer gewassen gekweekt worden om de voedselzekerheid veilig te stellen. Stikstof, de meststof bij uitstek, speelde daarin een cruciale rol. Tot dan toe gebruikte men natuurlijke bronnen van mest, zoals uitwerpselen van vee, het loof van stikstofvastleggende planten (zie straks), en salpeterafzettingen en guano, geïmporteerd uit verre landen zoals Chili en Peru (*). Maar door de nakende oorlog werd o.a. Duitsland de toegang tot sommige bronnen ontzegd. Dit zette de Duitsers ertoe aan te experimenteren om op kunstmatige wijze reactieve stikstof te genereren. Als bron gebruikte men atmospherisch stikstofgas. 

Omdat de atmosfeer voor 78% uit stikstofgas bestaat, is dat het grootste reservoir van stikstof op aarde. Maar deze zogenaamde di-stikstof, of N₂, is niet biologisch opneembaar. We ademen het wel in, maar het komt er onveranderd weer uit. Het doel van de chemici rond de eeuwwisseling was dit atmosferische stikstofgas omzetten naar reactieve stikstofmoleculen. 

En intussen waren de Europese landen zodanig machtig geworden dat spanningen en scheuren ontstonden tussen de steeds grotere mogendheden. Europa stond op springen. En het toeval wil dat stikstof ook nodig was in springstoffen. Er moest dus dringend een oplossing komen. 

Het Eurekamoment van de stikstof: Fritz Haber en Carl Bosch

Fritz Haber.
Fritz Haber.

Op dat spilmoment was de Duitse chemicus Fritz Haber (1868-1934) druk in de weer met stikstofexperimenten in zijn labo. Op een zomerdag in 1909 slaagde Haber erin vanuit atmosferische stikstof, ammoniak, druppel voor druppel, uit zijn instrument in een proefbuis op te vangen. BASF, het enorme Duitse chemieconcern, kocht het patent en recruteerde Carl Bosch (1874-1940) om het procedé op grote schaal uitvoerbaar te maken. Dat lukte. Beide heren ontvingen na de Eerste Wereldoorlog de Nobelprijs. Hun werk zou de geschiedenis ingaan als het Haber-Bosch proces. 

Carl Bosch.
Carl Bosch.

En eigenlijk is het Haber-Bosch proces de meest impactvolle uitvinding die er ooit geweest is. De landbouwproductiviteit nam enorm toe (vooral na de Tweede Wereldoorlog). Ook de veestapel groeide exponentieel mee. De menselijke wereldbevolking is in een eeuw verviervoudigd, van 1,6 miljard in 1900 tot bijna 7,9 miljard eind 2021. Eigenlijk eten er nu twee keer zoveel mensen dan de natuur aankan. Vandaar dat de helft van de stikstof in ons lichaam niet uit de natuur komt, maar uit fabrieken waar ammoniak wordt geproduceerd via het Haber-Bosch proces.

De verstoorde stikstofkringloop

De natuurlijke stikstofkringloop is door deze gebeurtenissen volledig verstoord. Er is een enorm teveel aan reactieve stikstof dat de natuur moet opvangen. De stikstofvervuiling komt uit twee bronnen: 

  1. Stikstofdepositie is het neerdwarrelen van stikstofoxiden uit de lucht. Deze stikstofoxiden ontstaan door verbranding van fossiele brandstoffen in fabrieken, auto's en verwarmingsinstallaties en dragen bij tot smog. 
  2. Nitraatuitspoeling is het gevolg van de overbemesting van de akkers met ammoniakproducten zoals hierboven beschreven, om de landbouw en veeteelt op (over)volle toeren te doen draaien. Op gazons zorgen stikstofkorrels voor een mooi groen grastapijt en verdringt het "onkruid". 

Het is betreurenswaardig dat door een gebrek aan efficiëntie (en door te lage meststofprijzen) ongeveer de helft van alle geproduceerde stikstof verloren gaat. We produceren dubbel zoveel stikstof dan nodig om de huidige maatschappij in stand te houden, de andere helft moet de natuur opvangen, maar dat heeft een prijs (vooral voor onszelf). In Aziatische rijstvelden bijvoorbeeld kan het verlies bijna 80% bedragen.

Wat zijn de gevolgen van stikstof die in de natuur belandt?

De belangrijkste gevolgen van stikstofdepositie en nitraatuitspoeling zijn: 

  1. Verzuring in de bodem. In zure bodems worden giftige stoffen mobieler en richten schade aan aan gewassen en natuur. In zure bodems kunnen bepaalde gewassen niet meer goed groeien.
  2. Sommige planten gaan door de stikstof veel harder groeien, en verdringen andere, waardoor de biodiversiteit daalt (insecten waaronder bestuivers krijgen het moeilijk, wat de neergang van biodiversiteit nog versterkt).
  3. In oppervlakte-, grond- en zeewater treedt er eutrofie op: sommige algen vermenigvuldigen zich onnatuurlijk snel (algenbloei), waardoor het water zuurstofarm wordt en ander waterleven sterft, zo vormt zich een dode zone of dead zone, in rivieren, meren, delta's en oceanen. Bekijk deze kaart van NASA met dead zones in zee.
  4. Versterking van de opwarming van de aarde want stikstofoxide is een broeikasgas. 
  5. Explosieve toename van de veestapel (want 'dankzij' stikstofbemesting is er veel veevoeder - een gebied zo groot als Noord- en Zuid-Amerika samen wordt verbouwd alleen om vee te voeden), en de daarmee gepaard gaande ontbossing, en ammoniak- en methaanuitstoot.
  6. Hoge concentraties aan stikstof in drinkwater en in de lucht zijn slecht voor de gezondheid. Stikstof is een smog-deeltje.
  7. De productie van kunstmest in chemiefabrieken vergt natuurlijk gas (een fossiele brandstof), om waterstofgas mee te maken, nodig voor de productie van ammoniak. Ook de energie zelf om de fabriek te doen draaien wordt meestal uit fossiele brandstoffen gehaald. Ze is verantwoordelijk voor een zeer groot aandeel van de totale antropogene uitstoot van broeikasgassen.

De mens produceert dus meststoffen door inert stikstofgas om te zetten naar biologisch opneembare stikstofvormen. Maar zorgt de natuur zelf dat de planten en dieren stikstof krijgen? Want de maalstroom van het leven draaide toch ook ook goed, voor Haber en Bosch zich ermee bemoeiden? 

De natuurlijke stikstofkringloop: Bacteriën in actie

Bepaalde soorten bodembacteriën, bv. van het geslacht Rhizobium, kunnen wél atmosferisch stikstofgas verwerken. Dit zijn de stikstoffixerende bacteriën. Zij gebruiken stikstofgas als energiebron, een beetje op dezelfde manier als wij zuurstof (ook een gas) in onze longen opnemen. En net zoals wij koolstofdioxide uitademen, zo stoten zij stikstofverbindingen uit die door plantenwortels kunnen worden opgenomen. Andere bacteriën voeren het omgekeerde proces uit, dit zijn de denitrifiërende bacteriën, ze geven stikstofgas terug aan de atmosfeer. Ook in zee wordt stikstof vastgelegd en teruggegeven door bacteriën. Bacteriën zijn dus de eigenlijke motor van de stikstofkringloop. 

Stikstofmagie in wortelknolletjes

Maar op het land komen stikstoffixerende bacteriën meestal niet vrij voor in de bodem. Ze hebben nood aan een knus plekje waar het aangenaam leven is. Er is een groep van planten die daar slim op inspeelt. De vlinderbloemigen (of Fabaceae), waartoe de peulvruchten, acacia's, mimosa's, klaver, lupine en wikke behoren, hebben ondergrondse wortelknolletjes die gezellig worden bevonden voor de stikstofvastleggers. In die onooglijke stikstofwortelknolletjes gebeurt dus alle stikstofmagie. Het is dus zeker geen overbodige luxe om vlinderbloemigen in je tuin te hebben, of op akkers. We moeten van het idee af dat sommige vlinderbloemigen als onkruid worden gezien.

Dankzij deze symbiose tussen vlinderbloemigen en bacteriën is er voldoende stikstof in de biosfeer van de bodem, zodat planten kunnen blijven groeien. En dieren eten planten op. En al etende - en alleen zo - krijgt ook de mens stikstof binnen. 

Stikstofkringloop
Stikstofkringloop
De mimosa is een vlinderbloemige die stikstof vastlegt. (foto: K.B.)
De mimosa is een vlinderbloemige die stikstof vastlegt. (foto: K.B.)

"The show must go on"

Het resultaat vandaag is dat de mensheid verslaafd is aan - en niet kan leven zonder - de industriële productie van ammoniak. Ammoniak-producerende fabrieken zijn megalomane installaties, torenhoge reactoren, koelers, compressoren, verhitters en katalysatoren rijzen boven de horizon en hun skyline moet qua apocalyptische flair niet onderdoen voor kerncentrales. 

Het is in ons aller voordeel dat de stikstofkringloop weer wat meer in het gareel gaat lopen. Maar laten we ons ervan bewust zijn dat de industriële productie van ammoniak wel moet blijven doorgaan, willen we iedereen blijven voeden, en als we verlangen dat ook arme mensen minsten even goed als ons kunnen eten. 

Maar als de industrie globaal gezien efficiënter gemaakt kan worden om verliezen in te perken, en als de vleesproductie afneemt, dan kan ook de ammoniakproductie sterk beteugeld worden. 

Vele landen hebben projecten lopen om de stikstofdepositie en kunstmestbehoefte systemisch aan te pakken, en voeren wetten in waaraan de industrie en landbouwbedrijven moeten voldoen, zoals het PAS-Programma van Natura2000 in Vlaanderen

BASF fabriek in Duitsland.
BASF fabriek in Duitsland.

Als burger kan je er zeker van zijn dat alles wat hoort bij een duurzame levenstijl, zoals minder autorijden en vliegen, een plantaardig dieet en lokale economie, ten goede komen aan een gezondere planeet en een minder uit de pan swingende stikstofkringloop. Precisielandbouw, composteren en recycleren van huis- en tuin- en stadsafval horen bij de oplossingen. Ook groenbemesting zal een belangrijke rol spelen, dit is het aanplanten van vlinderbloemigen op akkers tussen de oogsten door, wat vroeger al gedaan werd, en wat we nu opnieuw moeten doen.

-----------

(*) Er was een oorlog tussen Chili, Peru en Bolivia (1879-1884), de Salpeteroorlog, waarin gevochten werd om rechten en toegang tot stikstofrijke afzettingen (salpeter en guano).

Bronnen:

Bernhard et al., 2010, The Nature Education Knowledge Project: The Nitrogen Cycle: Processes, Players, and Human Impact. https://www.nature.com/scitable/knowledge/library/the-nitrogen-cycle-processes-players-and-human-15644632/

Smil, Vaclav, Distinguished Professor Emeritus at the University of Manitoba, 2011, Nitrogen cycle and world food production. World Agriculture. https://www.vaclavsmil.com/wp-content/uploads/docs/smil-article-worldagriculture.pdf

Smil, V. 1999. Detonator of the population explosion. Nature 400:415. https://www.vaclavsmil.com/wp-content/uploads/docs/smil-article-worldagriculture.pdf

Wikipedia and references therein: The Nitrogen Cyclehttps://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen_cycle

Afbeeldingen:

Fabrieken: de.wikipedia.org/wiki/BASF#/media/Datei:BASF1.jpg


keywords: stikstofkringloop verstoord, verstoorde stikstofkringloop, stikstofdepositie gevolgen, nitraatuitspoeling gevolgen, algenbloei gevolgen, wat is de stikstofkringloop, stikstof in de bodem, stikstofvastleggende bacterien, overbemesting gevolgen, kunstmest problemen