Phosphatsteuern in Milliardenhöhe

In seltener Einigkeit stimmen Optimisten und Pessimisten überein, dass es nur eine Frage der Zeit ist, bis die globalen Phosphorreserven aufgezehrt sind. Weltweit befassen sich Agronomen, Pflanzenforscher und -züchter daher schon heute mit dem drohenden Engpass. Sowohl zur besseren Einschätzung der Lage als auch zur Ergreifung von Maßnahmen zur Entschärfung, z. B. durch eine Erhöhung der Phosphateffizienz bei Pflanzen.

Es ist der Hansdampf in allen Gassen, ein Tausendsassa unter den Molekülen. Ständig beschäftigt mit dem Bauen von Brücken und Knüpfen von Ketten. Häufig im Kontext mit den nicht minder lebenswichtigen Kohlenhydraten, Proteinen und Fetten. Die Rede ist von Phosphat, einem der essenziellen Bausteine des Lebens. Sowohl im menschlichen Körper, in Tieren und Bakterien als auch auf dem Acker. Seit Entdeckung des Phosphors (P) anno 1669 stand das chemische Element dauerhaft im Fokus der Wissenschaft. Selten zuvor jedoch aus so dringendem Anlass wie heute.

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Reserven von 69 Milliarden Tonnen

Denn so unersetzbar die Salze der Phosphorsäure (H₃PO₄) für das Pflanzenwachstum und die -gesundheit, für die globale Landwirtschaft und damit unser Überleben sind, so begrenzt sind die wirtschaftlich erschließbaren Vorräte des elementaren Reinstoffs. (Davon zu unterscheiden ist der geologische Gesamtvorrat von über 900 Milliarden Tonnen.) Der aktuelle „Geological Survey“ der US-Behörde für Rohstofffragen beziffert diese auf 69 Milliarden Tonnen.

Demgegenüber steht ein seit 30 Jahren wachsender Einsatz von Phosphatdünger in der Landwirtschaft (2015: 43,7 Millionen Tonnen weltweit), der jährlich über 80 % des abgebauten Phosphors (2015: 223 Millionen Tonnen) verschlingt. Hinzu kommen weitere Abnehmer wie die Lebensmittel- oder die Chemieindustrie. Zahlen der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe aus dem Jahr 2007 passen in das Bild: Demnach lagen die globalen Reserven damals bei rund 67 Milliarden Tonnen, das jährliche Fördervolumen bei 207 Millionen Tonnen. 

Die Bedeutung für Pflanzen

Dass Landwirte mindestens einmal im Jahr phosphathaltige Volldünger ausbringen, liegt daran, dass Phosphate wesentliche Aufgaben in Pflanzen übernehmen. Neben ihrer Beteiligung an allen Prozessen des Energiehaushalts sind sie wichtige Bauelemente der Zellmembran und von Nukleinsäuren und tragen zur Funktionalität der Zellen bei. Als Energieträger in Form des Adenosintriphosphats (ATP) sind sie in allen wichtigen Stoffwechselvorgängen in Pflanzen involviert, fördern zudem die Krankheits- und Kälteresistenz und beeinflussen das Wurzelwachstum und eine Reihe weiterer landwirtschaftlich relevanter Eigenschaften wie z. B. die Bestockung positiv.

Um Engpässen in der Hauptwachstumszeit und Mangelerscheinungen vorzubeugen (u. a. Kümmerwuchs, reduziertes Wurzelwachstum und Stoffwechselstörungen), wird daher vor allem zur Frühjahrsdüngung geraten. Ein wesentliches Problem ist jedoch, dass Aufnahme und Assimilation nicht allein vom Bodenvorrat im Allgemeinen (2.000 – 9.000 kg/ha) abhängen, sondern speziell von den in der Bodenlösung enthaltenen Orthosphosphaten H₂PO₄^- und HPO₄^2-. Trotz wurzelnaher Ausbringung assimilieren Pflanzen in der Regel jedoch nur zwischen 20 und 30 % des ausgebrachten Phosphats, während der Hauptanteil hingegen im Boden akkumuliert.

Steuern in Milliardenhöhen

Agronom Eric Roy spricht in Bezug auf Letzteres von einer „Phosphat-Steuer“, die je nach Region und Bodenart unterschiedlich ausfällt. Gemeinsam mit Kollegen untersuchte er erstmals, wie hoch diese pro Jahr in Bezug auf den Nutzpflanzenbau in den Tropen – vom Amazonas über Afrika bis nach Südostasien –ausfallen könnte, sollte der Anbau bis 2050 wie veranschlagt ausgebaut werden. Hintergrund ist, dass besagte Regionen seit Langem zu den künftigen Säulen der globalen Nahrungsmittelproduktion gezählt werden, obgleich tropische Böden dafür bekannt und berüchtigt sind, nicht nur phosphatarm zu sein, sondern Unmengen des zugeführten Phosphats aufzusaugen, jahrzehntelang zu fixieren und Pflanzen vorzuenthalten.

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Phosphatsteuern in Milliardenhöhe

„In einigen Regionen muss davon ausgegangen werden, dass jede Tonne Phosphat, die in Biomasse umgesetzt und geerntet werden soll, eine weitere kostet, die im Boden fixiert ist“, erklärt Roy. In der Gesamtheit aller phosphatfixierenden Böden in den Tropen, die rund 8 – 12 % der globalen Ackerfläche ausmachen, bedeutet dies jährliche „Phosphat-Steuern“ in Höhe von 1 – 4 Milliarden Tonnen (10 – 20 kg pro Hektar). „Dies entspricht in etwa dem Gesamtaufwand an Phosphatdüngern (ca. 2 Milliarden Tonnen) von Nordamerika innerhalb eines Jahres“, veranschaulicht Roy und fährt fort, „Aus Gesprächen mit mehreren Sojabauern aus dem brasilianischen Bundesstaat Mato Grosso wissen wir, dass tropische Böden förmlich nach Phosphor gieren, wahre Phosphorsauger sind.“

Was sie zudem von anderen Böden unterscheidet, ist, dass selbst nach Jahrzehnten intensiver Phosphatdüngung keine Sättigung eintritt, die Menge an pflanzenverfügbarem Phosphat in der Bodenlösung nicht zunimmt, wie z.B. in Westeuropa oder Nordamerika.

Wenn die Krise ihre Schatten vorauswirft

„Wir fordern dazu auf, sich dieser Problematik bewusst zu werden und diese in ökologische und ökonomische Kalkulationen einzubeziehen, wenn über die Intensivierung der Landwirtschaft in den Tropen nachgedacht wird“, verlangt Roy, der den Zeitpunkt, an dem der letzte Brocken phosphorhaltigen Gesteins abgebaut wird, weniger fürchtet als das, was davor kommt. „Viel eher werden wir es mit gesellschaftlichen, politischen und wirtschaftlichen Unruhen und Zerwürfnissen zu tun haben, die aus den Volatilitäten in der Ernährungssicherung und den Weltmarktpreisen für Rohphosphat resultieren werden.“

Grünland im Fokus

Ansatzpunkte zur Senkung der „Phosphat-Steuer“ sieht Roy in einer Reduzierung des Fleischkonsums und der Lebensmittelabfälle, in Fortschritten in der Pflanzenforschung und -züchtung zur Erhöhung der Phosphateffizienz und in der Schließung von Phosphatkreisläufen. Punkte, die auch die Agronomin Sheida Sattari befürwortet. Anders als Roy haben sie und ihre Kollegen sich jedoch nicht mit der Intensivierung des Nutzpflanzenbaus in den Tropen, sondern mit der Fleisch- und Milchproduktion auf Grünlandflächen auseinandergesetzt. Diese erstrecken sich weltweit auf 3,3 Milliarden Hektar, machen rund 26 % der globalen, eisfreien Landfläche und 80% der landwirtschaftlichen Nutzfläche aus.

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Nach ihren Recherchen ist das Angebot an pflanzenverfügbarem Phosphat seit 1970 auf nahezu allen landwirtschaftlich genutzten Wiesen und Weiden (größtenteils für die Viehhaltung) zurückgegangen. „Das Phosphatangebot in Grünlandflächen sinkt unaufhaltsam, weil ihnen permanent Phosphate verpackt in tierischer Biomasse und Nebenerzeugnissen entzogen werden. Sprich in Fleisch, Milch, Wolle, Leder bzw. Dung. Hinzu kommt, dass Grünlandflächen kaum gedüngt werden.“

Wie kann das Niveau gehalten werden?

Zum Vergleich: Zwischen 1970 und 2005 wurden auf allen Gründlandflächen der Erde zusammen in etwa so viel mineralische Phosphatdünger eingesetzt (ca. 23 Millionen Tonnen), wie im Nutzpflanzenbau allein im Jahr 2010 (ca. 18,5 Millionen Tonnen). „Ohne Frage“ hakt Sattari ein, „ist dies der Tatsache geschuldet, dass Grünland seit jeher organisch gedüngt wird. Fakt ist jedoch auch, dass die Netto-Phosphatbilanz mit Ausnahme von Osteuropa und Ozeanien, den Inselwelten nördlich und östlich Australiens, zwischen 1970 und 2005 überall negativ war.“

Um die Produktivität der grünlandbasierten Viehzucht jedoch aufrechtzuerhalten und bis 2050 entsprechend der wachsenden Nachfrage nach Fleisch und Molkereiprodukten auszubauen, müsse begonnen werden, umzudenken und zu handeln. Zumal der Anteil der Gründlandviehhaltung an der globalen Fleisch- und Milchproduktion laut FAO schon heute bei über 50 % bzw. sogar 90 % liegt.

Mehrbedarf in Milliardenhöhe

„Nach unseren Berechnungen muss der Phosphatinput, egal ob aus organischem oder mineralischem Dünger, bis 2050 um mehr als das Vierfache im Vergleich zu 2005 erhöht werden, um eine Steigerung der Produktivität von 80 % zu erzielen“, erklärt Sattari. Konkret bedeutet dies eine Erhöhung von 4,3 kg auf 8,3 kg Phosphat, das jedem Hektar Grünland jährlich zugeführt werden muss.

In der Gesamtbetrachtung summiert sich der Phosphatbedarf bis 2050 somit auf über 1,2 Milliarden Tonnen, der zu 53 % (650 Millionen Tonnen) durch organische Dünger gedeckt werden könnte. Die verbliebenen 570 Millionen Tonnen hingegen müssten durch phosphathaltige Mineraldünger ergänzt werden, was ihrer Ansicht nach ein standortangepasstes „Grünland-Management“ erforderlich macht (engl.: Grassland-management).

Blick ins Pflanzeninnere

Indem sich Roy und Sattari im Kontext der Phosphatkrise nicht wie häufig mit den verfügbaren Reserven beschäftigen, sondern mit der steigenden Nachfrage in zwei speziellen Bereichen, leisten sie und ihre Mistreiter wichtige Arbeit. Denn um die Lage besser einschätzen zu können und einzugreifen, reicht es nicht immer nur aus, zu wissen, wie hoch die globalen Phosphorreserven sind und wo diese liegen. In gewisser Weise gilt dies auch in Bezug auf das Innenleben der Pflanzen.

Auflösung eines Mysteriums

Während sich Agronomen und Geologen häufig auf der Makroebene bewegen, mit Megatonnen und -hektar hantieren, richten Pflanzenforscher wie Marcel Bucher und Izabela Fabianska ihren Blick auf das Pflanzeninnere. „Während die molekularen Mechanismen in einigen Bereichen mittlerweile ganz gut erforscht und verstanden sind, z. B. der Transport von anorganischem Orthophosphat in die Chloroplasten, sieht es in anderen Bereichen anders aus. Zu nennen sind hier die Mitochondrien, das endoplasmatische Retikulum (ER), der Golgi-Apparat, die Peroxisomen (Microbodies) und zu guter Letzt die Vakuolen.“ Dabei sind gerade Letztere das, was die Phosphatminen von Marokko global betrachtet sind.

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Vakuolen als Phosphatlagerstätten

„Bei Pflanzen sind die Vakuolen die Hauptspeicher für Phosphate. Sie enthalten bis zu 95 % des gesamten pflanzlich gebundenen Phosphors“, erklären Bucher und Fabianska und fügen hinzu: „Erfreulicherweise ist eines der größten Mysterien, nämlich wie der Transport des Phosphats durch den Tonoplast abläuft, nun aufgeklärt worden.“

Der Tonoplast ist die selektivpermeable Biomembran, die die Vakuole umgibt und vom Cytoplasma abgrenzt. Ihm kommt eine bedeutende Rolle zu, da dieser den Phosphataustausch – vom Cytoplasma in die Vakuole und umgekehrt – maßgeblich reguliert und entscheidet, wie viel Phosphat eingelagert und gespeichert wird oder für den Stoffwechsel zur Verfügung steht. Obwohl dies bereits 1989 nachgewiesen wurde, kam die Forschung erst in den letzten Jahren dahinter, wie der Transport abläuft. 2012 zunächst an Backhefezellen (Saccharamoyces cerevisiae), 2016 in Arabidopsispflanzen (Arabidopsis thaliana) und im Reis (Oryza sativa).

Die Rolle der SPX-Proteine

Immer wieder stießen Forscher im Vorfeld auf eine Domäne (SPX-Domäne), die alle am Phosphattransport durch den Tonoplast beteiligten Proteine am N-Terminus besitzen. Dieser stellt den Startpunkt für die Proteinbiosynthese an den Ribosomen dar. Nachforschungen an Pflanzen ergaben, dass sich diese je nach Form und Aufbau des C-Terminus, dem Endpunkt der Proteinbiosynthese, wiederum einer von vier Kategorien zuordnen lassen: SPX, SPX-RING, SPX-EXS oder SPX-MFS. Schritt für Schritt knöpfte man sich in der Folge jede Kategorie vor, untersuchte sie auf ihre Bedeutung und Funktion, bis bei der Beschäftigung mit den SPX-MFS-Proteinen der Durchbruch gelang.

Schlupflöcher für Phosphationen

Wie sich in Arabidopsiszellen zeigte, tun sich stets drei SPX-FMS-Proteine zusammen, um eine Phosphat-Transporterfamilie (PHT5-Family) zu gründen, die den Phosphatimport vom Cytoplasma in die Vakuole übernimmt. Vergleichbar mit einem Schlupfloch im Tonoplast formt diese einen kleinen Ionenkanal, durch den Phosphationen in die Vakuole hineinströmen. Bei der Untersuchung von Reiszellen zeigte sich zudem, dass Vertreter der SPX-FMS-Proteinfamilie auch beim Phosphatexport aus der Vakuole in das Cytoplasma beteiligt sind.

Neue Impulse für die Pflanzenforschung und -züchtung

Bucher und Fabianska sind sich sicher, dass die Entdeckung dieses Mechanismus einen wichtigen Impuls für die Pflanzenforschung und -züchtung gesetzt haben dürfte. Zumal viele Fragen noch zu klären sind, z. B. welche Faktoren über die Bildung und Aktivität der SPX-FMS-Proteine entscheiden, ob die Ursachen auf der genetischen oder der regulatorischen Ebene zu suchen sind und von welchen Einflüssen abhängt, wann Phosphat in der Vakuole eingelagert oder für metabolische Zwecke zur Verfügung gestellt wird. Bekannt ist nur, dass der Phosphationenfluss durch Veränderungen des Membranpotenzials des Tonoplasts geregelt wird.

Erst wenn diese Fragen beantwortet sind, kann dazu übergegangen werden, die SPX-FMS-Proteine bzw. die PHT5-Phosphattransporterfamilie als Stellschrauben zur Optimierung der Phosphateffizienz einzusetzen. Doch handelt es sich dabei nur um eine Frage der Zeit.

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Das Spannungsfeld bleibt bestehen

Die Aufgabe, das Spannungsfeld zwischen der Verknappung des Phosphatangebots und dem steigenden Bedarf zu lösen, vermag gewiss keine der drei Studien alleine zu bewältigen. Der Ansatz, Lösungen für Teilbereiche zu entwickeln ist richtig und wichtig, jedoch sind sich alle einig, dass es darüber hinaus systemarer, also ganzheitlicher Schritte bedarf.

Ein wichtiger Ansatz, zumindest auf nationaler Ebene, ist die Rückgewinnung von Phosphat aus Klärschlämmen. Aufgrund des hohen Phosphatgehalts eignen sich diese als Dünger auf landwirtschaftlichen Flächen, sofern sie nur geringe Schadstoffbelastungen aufweisen. Derzeit wird in Deutschland rund die Hälfte der kommunalen Klärschlämme in der Landwirtschaft als Dünger eingesetzt, wobei der Anteil seit 2006 bei rund 30 % der insgesamt anfallenden Menge stagniert. Der überwiegende Rest wird als Brennstoff in Kraftwerken eingesetzt, in Zement gepresst oder auf Phosphathalden deponiert.

Zum Verheizen zu schade

Aufgrund der elementaren Bedeutung und der drohenden Phosphatkrise wächst jedoch das Bewusstsein, die Rückgewinnung zu forcieren und neue Verfahren für das Phosphatrecycling zu entwickeln. Schließlich ist der Nährstoff zu wertvoll und kostbar, um ihn am Ende zu verheizen oder in Beton zu gießen. Die Frage, wie die globalen Lücken und Lecks im Phosphatkreislauf geschlossen werden können, steht dagegen noch aus. Schließich vermag selbst ein geschlossenes System hierzulande nicht für eine Rückführung des Phosphats zu sorgen, wenn dieses in landwirtschaftlichen Produkten steckt, die aus fernen Ländern und Kontinenten stammen.