Door de aandacht voor de
stijgende CO2-concentraties in onze atmosfeer raakt het probleem van
een overmaat aan reactief stikstof in het milieu een beetje ondergesneeuwd.
Volgens een studie uit 2015, gepubliceerd in het toptijdschrift Science, is het
stikstofprobleem naast klimaatverandering, biodiversiteitsverlies en
veranderingen van landgebruik een van de meest prangende wereldwijde
milieuproblemen. Zowel koolstof als stikstof volgen een natuurlijke cyclus die
– omwille van menselijke ingrepen – grondig verstoord is. In het geval van
klimaatverandering is die verstoring te wijten aan de grote hoeveelheid
fossiele koolstof die we uit de grond opdiepen ten behoeve van onze
energievoorziening, wat een hele hoop CO2 in de lucht pompt die niet
meer door de biosfeer kan worden gecapteerd. In het geval van stikstof is de
cyclus ontregeld door een aantal processen die het weinig reactieve stikstofgas
(N2) omzetten naar reactieve verbindingen. De belangrijkste zijn het
Haber-Boschproces voor de productie van
ammoniak (NH3), en de vorming van stikstofoxiden (NOx)
bij verbrandingsprocessen.
 |
Het
planetaire grenzen diagram laat zien dat de biochemische cyclus van stikstof
(Nitrogen in het Engels) zodanig verstoord is dat de draagkracht van de Aarde
overschreden is[1].
|
Een component met twee gezichten
Als onderdeel van onder andere
aminozuren, de moleculaire bouwblokken van eiwitten, en nucleotiden, de
bouwblokken van DNA en RNA, is stikstof essentieel voor al het leven op Aarde. Het
leeuwendeel van onze atmosfeer (78%) bestaat uit stikstofgas en vormt daarmee
een gigantisch reservoir aan weinig reactief stikstof. Dat stikstof is niet
rechtstreeks beschikbaar als voedingsstof voor organismen: daarvoor moet het
eerst worden omgezet in een geoxideerde (NOy) of gereduceerde (NHx)
verbinding. De whereabouts van dit reactief stikstof in het milieu doen denken
aan de titel van het legendarische Nederlands televisieprogramma ‘Ter land, ter
zee en in de lucht’. Gedurende een paar
rondjes door de stikstofcyclus vertoeft het als anorganische stof in de bodem,
het water en de atmosfeer, of als biomassa in planten, dieren, schimmels en
bacteriën. Uiteindelijk belandt het terug als stikstofgas in de lucht door het
bacteriële proces van denitrificatie. Er zijn voor dat stikstofgas
verschillende manieren om terug een entreekaartje te bemachtigen voor de
draaimolen van de stikstofcyclus: van nature kan dat door biologische
stikstoffixatie, biomassaverbranding en bliksem. Door menselijk toedoen is het
nu heel druk op de stikstofdraaimolen: ruwweg de helft van al het stikstof dat
jaarlijks wordt gefixeerd is het werk van mensen, goed voor een totaal van 210
miljoen ton per jaar[2].
Ongeveer 15% daarvan is in geoxideerde vorm en is het gevolg van verbranding
voor energieproductie en transport, de rest is gereduceerd stikstof ten gevolge
van kunstmestproductie via het Haber-Boschproces en biologische stikstoffixatie
door het telen van vlinderbloemige gewassen zoals soja. De uitvinding van het
Haber-Boschproces in 1908, de chemische synthese van ammoniak (NH3)
uit stikstofgas en waterstofgas (H2), heeft de productiviteit van de
landbouw drastisch verhoogd. Net zoals het hoofd van de Romeinse god Janus
heeft reactief stikstof dus twee gezichten: langs de ene kant is het essentieel
voor de voedselvoorziening, langs de andere kant zorgt een overmaat in het
milieu tot problemen.
 |
De
effecten van een overmaat stikstof doet zich op verschillende fronten voor. Het
draagt bij aan lucht- en waterverontreiniging, heeft een impact op de
bodemkwaliteit en de klimaatverandering, en oefent een schadelijke invloed uit
op ecosystemen en de biodiversiteit.[3]
|
De stikstofwaterval
Het is door menselijk toedoen zo
druk in de stikstofcyclus dat er heel wat reactief stikstof spreekwoordelijk
uit de bocht vliegt en als verstekeling in het milieu blijft hangen. Grote
hoeveelheden nitraat (NO3-) in grond- en oppervlaktewater
bedreigen de kwaliteit van het drinkwater. Daarenboven zorgt reactief stikstof
in het water, samen met fosfor, voor eutrofiëring van zoetwater- en
kustwaterecosystemen, wat leidt tot overmatige algenbloei, een tekort aan
zuurstof en verlies van biodiversiteit. Overmatige bemesting is de
belangrijkste oorzaak van nitraatvervuiling in grond- en oppervlaktewater.
Stikstofoxiden (NOx) en ammoniak (NH3) zijn op zich al
luchtverontreinigende stoffen, maar dragen daarnaast ook nog eens bij aan de
vorming van fijnstof en ozon. Terwijl stikstofoxiden vooral worden uitgestoten
door verkeer en industrie, is landbouw de belangrijkste emissiebron van
ammoniak. Wat betreft bodemkwaliteit is het verhaal genuanceerder: stikstof
wordt in de vorm van mest doelbewust op landbouwbodems uitgestrooid om de
bodemvruchtbaarheid te stimuleren, maar in bodems die van nature arm zijn in
stikstof bedreigt het de biodiversiteit. Daarnaast is de bodem ook een buffer
voor reactief stikstof, die verhindert dat het naar het water of de lucht
ontsnapt. Stikstof speelt overigens ook een rol het broeikasgaseffect: lachgas
N2O, wat vooral vrijkomt uit mest, is als broeikasgas 298 keer zo
sterk als CO2. Als stikstof neerslaat op planten heeft het echter
een milderende werking op klimaatopwarming, omdat het de groei van planten een
duwtje geeft. Die stikstofdepositie vanuit de lucht heeft helaas ook een
negatief effect op de biodiversiteit. De vele gedaanteverwisselingen die
reactief stikstof doormaakt in de natuurlijke stikstofcyclus heeft ook gevolgen
in de verstoorde stikstofcyclus: als reactief stikstof van de ene gedaante en
de ene plek naar de andere beweegt, veroorzaakt het meerdere effecten in tijd
en ruimte. Dit proces staat bekend als de ‘stikstofwaterval’: eenzelfde atoom
stikstof kan als ammoniak bijdragen aan fijnstofvorming, vervolgens neerslaan
in natuurgebied en daarop een vermestend en verzurend effect hebben, daarna als
nitraat in het oppervlaktewater terechtkomen waar het vervolgens aan algenbloei
kan bijdragen.
 |
Illustratie van de stikstofwaterval[3].
Een stikstofatoom dat via het Haber-Boschproces in een reactieve vorm wordt
omgezet, kan in verschillende gedaanten milieuschade aanrichten doorheen tijd
en ruimte.
|
Een geïntegreerde aanpak voor een complex probleem
Alleen al in de Europese Unie
worden de kosten van stikstofvervuiling geschat op 75 tot 485 miljard euro per
jaar[4].
Ook in Vlaanderen kampen we met een stevig stikstofprobleem. Door onze hoge
bevolkingsdichtheid en de aanwezigheid van intensieve industrie en veehouderij
zijn we een stikstofrijke regio. Op verschillende plekken krijgen we onze
waterlopen maar niet proper, ondanks een opeenvolging van steeds strengere
mestactieplannen[5].
In 64% van de totale oppervlakte Europees beschermde topnatuur is de kritische
last voor stikstofdepositie overschreden, wat de instandhoudingsdoelstellingen
voor soorten en habitats in die natuurgebieden ernstig in gevaar brengt[6].
In verschillende Vlaamse steden en gemeenten worden de Europese
stikstofdioxidenormen lokaal overschreden omwille van het verkeer[7].
Bovendien dragen ammoniakemissies bij aan hoge achtergrondconcentraties van
fijnstof, in het bijzonder in de lente wanneer de mest op de akkers wordt
uitgereden[8].
We staan voor de opgave om
stikstofverliezen op alle fronten in te dijken. De voorbije decennia is de
uitstoot van reactief stikstof door verbranding sterker gedaald dan
stikstofverliezen in de landbouw. De decarbonisering van transport, energie en
industrie in functie van de aanpak van klimaatverandering zal in de toekomst ook
het stikstofprobleem helpen milderen. Voorts is een verdere verbetering van de Nitrogen
Use Efficiency, de verhouding stikstof in een landbouwproduct ten opzichte van
de hoeveelheid stikstof in de input (meststoffen bij plantaardige productie, voeder bij dierlijke
productie) cruciaal om tot een duurzaam stikstofbeheer te komen. Dit kan met
behulp van technologische innovaties zoals precisielandbouw en luchtwassers, maar
ook een daling van de vlees, zuivel- en eierconsumptie kan een handje helpen.
De Nitrogen Use Efficiency van plantaardige producten is immers veel groter dan
die van dierlijke producten, waardoor er minder stikstofverliezen zijn. De
strijd tegen klimaatverandering is wellicht de uitdaging van onze tijd, wat
niet wegneemt dat we ook met een knoert van een stikstofprobleem kampen.
Gelukkig zijn er heel wat maatregelen die beide kwesties tegelijkertijd aanpakken.
[1] Steffen, W. et al. (2015) ‘Planetary
boundaries: Guiding human development on a changing planet’, Science,
347(6223). doi: 10.1126/science.1259855.
[2] Fowler, D. et al. (2013)
‘The global nitrogen cycle in the twenty- first century’, Philosophical
Transactions of the Royal Society B, 368. doi:
http://dx.doi.org/10.1098/rstb.2013.0164.
[3] Sutton, M. a. et al. (2011)
‘Summary for policy makers’, in Sutton, M. A. et al. (eds) The European
Nitrogen Assessment. doi: 10.1017/CBO9780511976988.002.
[4] Van Grinsven, H. J. M. et al.
(2013) ‘Costs and Benefits of Nitrogen for Europe and Implications for
Mitigation’, Environmental Science & Technology, 47, pp. 3571–3579.
[7] https://www.vrt.be/vrtnws/nl/2018/09/27/luchtkwaliteit-in-vlaanderen-van-dramatisch-tot-matig-goed/
[8] https://www.standaard.be/cnt/dmf20190409_04311950
