In diesem Blogbeitrag wollen wir uns eingehend mit dem Treibhausgas Distickstoffmonoxid, seiner Entstehung, seiner Wirkung und seiner Reduktion beschäftigen. In der Zusammenarbeit mit der Universität für Bodenkultur-Wien ist es, wegen seiner Wirksamkeit als Treibhausgas, einer der wichtigsten Untersuchungsgegenstände.
Was ist Lachgas und wo kommt es her?
Distickstoffmonoxid, auch bekannt als Lachgas ist ein farb- und geruchloses Gas, reines Lachgas eignet sich aufgrund seiner geringen Nebenwirkungen und seiner Unschädlichkeit als Narkotika. In der Autotuning-Szene erfreut sich Lachgas großer Beliebtheit.
Da es wesentlich mehr Sauerstoff enthält als Luft ist es ein idealer Oxidator um die Motorleistung kurzzeitig zu steigern. In der Lebensmittelindustrie findet es als Treibgas vorwiegend für Schlagobers Verwendung, aber auch für Rasierschaum kommt es zur Anwendung.
Distickstoffmonoxid entsteht überall dort, wo Stickstoff abgebaut wird. Der größte Anteil davon kommt dabei von der Ausbringung von Stickstoff in der Landwirtschaft, der für ein möglichst optimales Pflanzenwachstum sorgen soll. In den meisten Fällen wird dabei aber weit mehr Stickstoff ausgebracht als die Pflanzen aufnehmen können, so reichert sich der Boden und damit Grundwasser, Flüsse und Seen mit Nitrat an.
Mikroorganismen, die durch Nitrifikation (Querverweis > Blog Kläranlage) den Ammonium-Stickstoff aus dem Dünger in Nitrat umwandeln, setzen dabei Distickstoffmonoxid frei. Sauerstoffarme Verhältnisse, die nach Niederschlägen in Feuchtgebieten und in der Abwasserreinigung auftreten, begünstigen diesen Vorgang in besonderem Maße.
Auswirkungen von Lachgas auf die Natur und Umwelt
Eisbohrkerndaten der vergangenen 2000 Jahre zeigen, dass sich der Lachgasanteil in der Atmosphäre vor der Industrialisierung kaum geändert hat. Von 1750 bis 2017 hingegen ist die Konzentration um ca 22% gestiegen, 15% davon wurden einigen Quellen zufolge in den letzten 80 Jahren verursacht.
Lachgas hat eine Verweilzeit in der Atmosphäre von ungefähr 114 Jahren. Es kommt zwar nur in Spuren vor, jedoch ist es knapp 300 mal so wirksam wie CO₂ und macht trotz geringem Vorkommen ca. sechs bis neun Prozent des vom Menschen verursachten Treibhauseffektes aus, welcher ungefähr 30-45% der Gesamtfreisetzung darstellt.
Neben seiner Wirkung als Treibhausgas hat es noch einen weiteren zerstörerischen Effekt auf unsere Umwelt. Distickstoffmonoxid zerfällt in den oberen Atmosphärenschichten zu Stickstoffmonoxid (=NO) und Stickstoffdioxid (=NO₂) welche dort katalytisch das Ozon zersetzen, somit ist Lachgas mitverantwortlich für den Abbau der Ozonschicht in der Stratosphäre. Nachdem die Verwendung von Fluor-Kohlenwasserstoffen (FCKW), welche früher Bestandteile von Kühlmittel und als Treibgas für Spraydosen eingesetzt wurden, drastisch eingeschränkt wurde, stellt heute Lachgas die größte Bedrohung für die Ozonschicht dar.
Lachgas in Kläranlagen – ein nicht zu unterschätzender Faktor
Neben der Landwirtschaft, der Industrie, dem Verkehr, beim Verbrennen von Biomasse, usw. entsteht ebenso in Kläranlagen im Zuge der biologischen Reinigungsstufe Lachgas, welches in die Atmosphäre austritt. Zu welchen Anteilen dieser Umstand der Nitrifikation oder der Denitrifikation (Querverweis > Blog Kläranlage) geschuldet ist, war bisher noch unklar.
Neue Studien, welche eine bessere Beurteilung der Lachgasbildung während der Abwasserreinigung erlauben, haben jedoch gezeigt, dass während der Nitrifikation (Querverweis > Blog Kläranlage), welche unter Sauerstoffzugabe abläuft, die Lachgasbildung dominiert. Sofern für diesen Vorgang nicht ausreichend Sauerstoff bereitgestellt wird, fördern die so erzeugten hohen Ammonium wie auch Nitrit Konzentrationen die Lachgsbildung. Sauerstoff in ausreichender Menge bereitzustellen ist dabei nicht so leicht, da die sich die benötigte Sauerstoffmenge nach dem Stickstoffgehalt des Abwassers richtet und der wiederum variiert je nach Tageszeit.
Aufgrund der umweltschädigenden Wirkung von N2O und der langen Aufenthaltszeit in der Atmosphäre ist es unerlässlich eine weitestgehende Reduktion der Emissionen zu forcieren, was dem aktuellen Verständnis der Bildungsmechanismen nach bedeutet, dass bei einer möglichst vollständigen Nitrifikation, betrieben mit ausreichend hohen Sauerstoffkonzentrationen und einer weitgehenden Denitrifikation unter Vermeidung von Sauerstoffeinträgen, Nitrit und damit die Lachgasbildung minimiert werden kann. Bei der Schlammbehandlung in Kläranlagen entsteht Klärgas und somit ebenfalls Lachgas. Das Vergären biologischer Substanzen in Kläranlagen, Deponien und Biogasanlagen und die anschließende Nutzung des Gases ist ökonomisch und ökologisch interessant und sinnvoll, da Methan, das auch Hauptbestandteil von Erdgas ist, ein hochwertiger Brennstoff ist.
Zum anderen entweichen die klimaschädlichen Gase Methan und Distickstoffmonoxid nicht in die Umwelt und die Reste der Vergärung, wie zum Beispiel jene der Klärschlämme, sind wesentlich unproblematischer für Böden und Gewässer als die ursprünglichen Abfälle.
Es gibt Hoffnung – Vermeidung von Lachgas bei Landwirtschaft und Abfallbehandlung
Ein internationales Team von Mikrobiologen aus Österreich, Deutschland, Dänemark und Russland hat die lange gesuchten Comammox-Bakterien (COMplete AMMonia OXidiser) entdeckt. Sie sind in der Lage, die gesamte Nitrifikation voll- und selbstständig zu erledigen, alle bisher erforschten Mikroben können das nur zu zweit. Dieser Unterschied ist maßgeblich, denn im Zuge der Arbeitsteilung der bisher eingesetzten Mikroben besteht ein erhöhtes Risiko, dass sich im Zwischenschritt zu viel Nitrit ansammelt. Dieses führt, wie bereits erwähnt, zu vermehrter Lachgasbildung, Comammox-Mikroben hingegen setzen im Vergleich dazu nur geringe Mengen Distickstoffmonoxid frei.
Selbst sauerstoffarme Bedingungen haben keinen Einfluss darauf.
Durch die geringe Lachgas-Emmision der Comammox sind sie für die Landwirtschaft und die Abwasserreinigung äußerst interessant. Gelingt es, das Wachstum von Comammox-Bakterien an Stelle der anderen Nitrifikanten gezielt zu fördern, lassen sich die Lachgas-Emissionen in Böden und Kläranlagen vielleicht vermindern. Hierfür muss jedoch noch einiges an Forschungsarbeit geleistet werden, schließlich wurden Comammox-Bakterien erst vor kurzem entdeckt. Über die genauen Bedingungen für ihr optimales Wachstum ist daher leider noch nicht viel bekannt.
Weblinks:
- https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/klimaschutz-energiepolitik-in-deutschland/treibhausgas-emissionen/die-treibhausgase
- https://www.umweltbundesamt.de/daten/klima/treibhausgas-emissionen-in-deutschland/distickstoffoxid-emissionen
- https://www.greenpeace.de/klimaschutz/klimakrise/co2-co
- https://www.fr.de/wissen/lachgas-belastet-klimaund-schaedigt-ozonschicht-13235377.html
- https://www.ufz.de/index.php?de=37257
