Phosphor – unentbehrlich für das Leben

Phosphor ist neben Stickstoff und Kalium das wichtigste Nährstoffelement für das Wachstum von Pflanzen, ist er doch als ­Energielieferant und Teil der DNA unersetzlich. Im Gegensatz zu dem unbegrenzt aus der Luft zur Verfügung stehenden Stickstoff werden Phosphate in Lagerstätten abgebaut, die nach heutigem Wissen endlich sind. 79% des abgebauten Phosphors gehen in die Düngemittelindustrie, etwa 11% werden als Futtermittelzusatzstoff und weitere 7% in Reinigungsmitteln verwendet, der Rest geht in die Nahrungsmittelindustrie bzw. wird für die Ober­flächenbehandlung von Metallen eingesetzt. Der Verbrauch an Düngemittel stieg seit Anfang der 1950iger Jahre von 14x10⁶t auf heute 145x10⁶t. Die BRD besitzt keine Phosphaterz-Lagerstätten und ist deshalb auf Importe angewiesen. Der Verbrauch ist aber in den letzten Jahren wie in fast allen europäischen Ländern deutlich zurück gegangen, was durch bedarfsgerechtere Düngung erreicht wurde und weil die Acker­flächen in den vergangenen Jahren erheblich überdüngt worden waren.

Bei den meisten Böden beobachtet man deshalb bei weiterer Düngung mit Phosphor keine Ertragssteigerung mehr. Im Gegensatz dazu stieg der Phosphorbedarf in Schwellen- und Entwicklungsländern im Vergleich zu vor 40 Jahren um über das Tausendfache. Dabei spielt offenbar nicht nur die verbesserte Ernährungssituation durch wirtschaftlichen Aufschwung sondern das mangelnde Umweltverständnis eine erhebliche Rolle.

Die Korrelation zwischen Wirtschaftswachstum und Phosphorverbrauch könnte in naher Zukunft für die Staaten Brasilien, Russland, Indien und China gelten, denn sie verzeichnen ein hohes Wirtschaftswachstum und könnten bis 2040 eine größere wirtschaftliche Bedeutung erlangen als die G6-Staaten zusammen.

Die Lagerstätten – wie lange noch?

Bei den Phosphatvorkommen unterscheidet man entsprechend ihrer geologischen Entstehung zwischen sedimentären und magmatogenen Lagerstätten. Bezogen auf ihren Gehalt an P₂O₅ stammen heute 85% aus sedimentären und 15% aus magmatogenen Lagerstätten (Tabelle). Wichtigstes Mineral ist der Apatit, Ca₅[X(PO₄)₃], mit F-, Cl- oder OH- als Anion X. Die P₂O₅-Gehalte der sedimentären Lagerstätten schwanken zwischen 7–10% (USA) und über 30% (Nord- und Westafrika), wobei die mit den höchsten P₂O₅-Gehalten bevorzugt abgebaut werden. Magmatische Lagerstätten enthalten fast nur 4–8, wenige bis zu 17% P₂O₅.

Neben den bekannten Reserven an Rohphosphaten in den USA, Marokko und Südafrika existieren die weltweit größten Vorkommen in China. Das Land übt deshalb einen erheblichen Einfluss aus auf die Preise am Weltmarkt.

Phosphat-Erze werden überwiegend im Tagebau gewonnen und noch vor Ort aufkonzentriert. In den Abnehmerländern werden sie je nach Verwendung weiteren Reinigungsschritten unterzogen. Wichtigste Reaktion ist der Aufschluss mit Schwefelsäure, bei dem das Calcium als CaSO₄ ausgefällt wird. Die gebildete Rohphosphorsäure wird weiter aufkonzentriert und z.B. mit Ammoniak zu (NH₄)₂HPO₄ verarbeitet oder für die chemische Industrie zu elementarem Phosphor reduziert.

Nutzbare Phosphatvorkommen sind nur in wenigen Staaten der Erde vorhanden. ­Bezogen auf die Gesamtreserven (~18 Mrd t) sind in Marokko und China 70% vorhanden, den Rest teilen sich Südafrika, USA, Jordanien und andere Länder (Abb. 1).

Berücksichtigt man die Gehalte der Phosphaterzlagerstätten und den zu erwartenden Bedarf bei steigender Weltbevölkerung, dann, so hat man errechnet, wären in 2060 die Hälfte der derzeit bekannten und wirtschaftlich genutzten Reserven aufgebraucht. Je nach Eingangsparametern wären die Lagerstätten in 60–130 Jahren ausgebeutet, wobei als wahrscheinlichstes Endjahr 2100 genannt wird.

Risikoelemente: Uran, Cadmium

Phosphatdünger spielen eine bedeutende Rolle beim Eintrag von Schwermetallen in Ackerböden und damit in die Nahrungskette. Vor allen Uran (U) und Cadmium (Cd) sind in höheren Konzentrationen vorhanden. Die Metalle werden bei der Produktion von P-Düngern aus dem Rohmaterial zu 60–70% in das Endprodukt überführt. Auch Zink ist in bedeutenden Mengen vorhanden, zählt aber zu den essentiellen ­Spurenelementen und ist daher anders zu bewerten.

Der P-Abbau war und ist eng verknüpft mit der Gewinnung von Uran. Der Verzicht auf Nuklearwaffen nach Ende des Kalten Krieges hatte zu sinkenden U-Preisen geführt. Damit stieg aber auch der U-Gehalt in den Rohphosphaten und dem daraus hergestellten Dünger, weil das Element nicht mehr aus den Roherzen extrahiert wurde. Die nach Deutschland eingeführten Rohphosphate aus USA, Nordafrika und Israel zeigen gegenüber den Böden einen bis zu 50 Mal höheren Gehalt an ²³⁸U und ²²⁶Ra. Über die letzten 50 Jahre gerechnet dürfte inzwischen der U-Gehalt in deutschen Ackerböden zwischen 8000–16000t liegen. Bei der Beurteilung des gesundheitlichen Risikos von U muss man sowohl seine ­chemische als auch seine radiologische Giftigkeit berücksichtigen. Das Bundesinstitut für Risikobewertung und das Bundesamt für Strahlenschutz bewerten das Risiko des über die Nahrung und Trinkwasser aufgenommenen Urans als sehr gering. Die Strahlenexposition liegt weit unter den ­Dosisrichtwerten. Auch die chemische Wirkung von U stellt nach heutigem Wissensstand für den Verbraucher kein nennenswertes Risiko dar, denn das Element reichert sich in der Nahrungskette nicht an und Pflanzen entziehen dem Boden nur sehr wenig Uran.

Cadmium ist ebenfalls in Rohphosphaten in bedeutenden Konzentrationen enthalten. Die Tagesdosis für den Mensch sollte etwa 50–70g nicht überschreiten, liegt aber bei P-haltigem Dünger bereits bei ­etwa 40g. Viele Länder, darunter auch die BRD haben deshalb in den letzten Jahren Cd-Grenzwerte für P-Düngemittel festgelegt.

Eutrophierung durch Phosphat

Ohne den Einfluss des Menschen verläuft der natürliche P-Kreislauf in einer permanenten biogeochemischen Umsetzung des Elements in Zeiträumen von Millionen von Jahren. Aus den Böden werden Phosphate nur langsam freigesetzt, gelangen in ­Gewässer und Meere und bilden in geo­logischen Zeiträumen wieder P-Lagerstätten. Durch den P-Abbau gelangen etwa 18x10⁶t/pa zusätzlich in dieses System. Die auf die Ackerböden ausgebrachten Düngemittel reichern sich mit P an und geben durch Erosion jährlich 8x10⁶t in Flüsse, Seen und angrenzende Meere ab. Über menschliche Fäkalien gelangen zudem nochmals etwa 1,5x10⁶ t in die Gewässer (V.Smil; Ann. Rev. of Energy and Enviroment 2000, 25, 53–88) Ist der Phosphor erst einmal dort angelangt, kann er praktisch nicht mehr wirtschaftlich zurückgewonnen werden.

Zu vermehrtem Algenwachstum kommt es, wenn Phosphor und Stickstoff im Überschuss in den Gewässern vorhanden sind. Ihr Absterben und der damit verbundene bakterielle Abbau führen zu enormen Sauerstoffverlusten und schließlich wegen des niedrigen Sauerstoffgehalts zum Absterben der höheren Organismen. Von dieser Eutrophierung sind trotz des verstärkten Baus von Kläranlagen zunehmend auch Küstenregionen betroffen, z.B. weite Teile der Ostsee. Weltweit wurden inzwischen 400 dieser sog. „Dead Zones“ identifiziert.
Gleich wie man den Umgang mit Phosphor betrachtet, eine weitreichende Kreislaufführung ist offensichtlich unerlässlich, um eine globale, diffuse Verteilung des Elements zu verhindern. In zahlreichen Ländern wird über die Phosphorrückgewinnung aus Klärschlämmen und Fäkalien geforscht.

Eine Möglichkeit könnte die Rückgewinnung aus der Asche von Klärschlämmen und Tiermehlen sein, weil dabei ein schadstoffarmes Produkt gewonnen werden kann, das nicht auch noch durch eine Vielzahl organischer Substanzen belastet ist. Manche Forscher wie C. Buckley (Durban-Universität Südafrika) beschäftigen sich damit, wie der an Phosphor reiche Urin separat aufgefangen und daraus das wertvolle Element wieder gewonnen werden kann. Zusammen mit der Schweizer EAWAG plant er den Bau von Bioreaktoren, die aus Urin ein an Phosphor und Stickstoff reiches Granulat erzeugen. Der Prototyp soll in diesem Jahr in Betrieb gehen.

Foto: ©panthermedia.net|Joerg Hackemann