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Pflanzen benötigen für ihr Wachstum vor allem Wasser, Kohlendioxid aus der Luft und Licht. Aus Wasser und Kohlendioxid bauen sie in einer endergonen Gesamtreaktion, der Photosynthese, den Großteil ihrer körpereigenen Substanzen auf. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt.
6 H2O + 6 CO2 Lichtenergie, Chlorophyll C6H12O6 + 6 O2
Wichtige Substanzen der Pflanze, z.B.: Eiweißstoffe und das Chlorophyll, enthalten aber noch andere Elemente außer C, H und O welche über die Wurzeln aufgenommen werden. Die wichtigsten davon sind Stickstoff, Phosphor, Kalium, Magnesium und Calcium.
Daneben werden noch weitere Elemente in geringen Mengen benötigt, die sogenannten Spurenelemente. Sie müssen den Pflanzen in Form von wasserlöslichen Verbindungen in einem bestimmten Verhältnis zur Verfügung stehen.
Justus von Liebig (1803-1873) hat dies schon 1840 erkannt und im Gesetz vom Wachstumsminimum formuliert. Demnach wird das Pflanzenwachstum durch den Nährstoff begrenzt, von dem im Verhältnis zum Bedarf am wenigsten zur Verfügung steht. Eine verstärkte Gabe anderer Nährstoffe kann den Mangel nicht ausgleichen.
N P K N P K
Idealer Bedarf zuwenig Stickstoff
In nicht landwirtschaftlich genutzten Böden regulieren sich Nährstoffangebot und Pflanzenwachstum von selbst. Durch das Absterben und Verrotten von Pflanzen kommen die Nährstoffe wieder in den Boden zurück und stehen neuen Pflanzen zur Verfügung.
Durch das Anwachsen der Bevölkerung und der Bildung von städtischen Ballungsräumen ist eine stetige Steigerung der Ernteerträge notwendig. Da aber aufgrund der Erosion und der Ernte dem Boden Nährstoffe entzogen werden, müssen sie durch Düngen dem Boden wieder zugeführt werden, wenn die Fruchtbarkeit erhalten werden soll.
Im "biologischen Ackerbau" wird dies vor allem mit Gründüngung erreicht. Dabei werden Pflanzen angebaut, die nicht zur Ernte bestimmt sind, sondern auf dem Feld verrotten und so die Bodenfruchtbarkeit verbessern. Auch das Düngen mit Stallmist und Kompost verfolgt den selben Zweck. Diese arbeitsintensiven Methoden, die auch den Ertrag verringern - wo Gründüngerpflanzen wachsen, kann nicht zugleich geerntet werden - werden in der traditionellen Landwirtschaft nur mehr in geringem Maße angewandt. Aufgrund der Erkenntnisse von Liebig und der Trend zu immer höheren Erträgen hat zum verstärkten Einsatz von Mineraldüngern geführt.
Mineraldünger sind industriell hergestellte Nährsalze, welche meist die drei wichtigsten Elemente Stickstoff, Phosphor und Kalium enthalten. Diese werden von den Pflanzen am meisten benötigt. Man bezeichnet solche Düngemittel als NPK-Dünger oder Volldünger.
BEDEUTUNG VON STICKSTOFFVERBINDUNGEN: Eine besondere Rolle fällt dem Stickstoff zu, da Proteine ca. 16% Stickstoff enthalten welche Pflanzen zur Assimilation benötigen. In Form von Ammonium-Ionen muß deshalb Stickstoff zugeführt werden.
Der Stickstoffkreislauf: Stickstoff und Sauerstoff können durch elektrische Entladungen (Gewitter) zu Stickoxiden reagieren. Dabei entsteht vor allem NO, daraus NO2 und durch Reaktion mit Wasser Salpetersäure. Die Salpetersäure wird durch Niederschläge aus der Atmosphäre ausgewaschen und gelangt in den Boden. Sie wird neutralisiert und bildet Salze. Man nimmt an, daß Gewitter zu 10% der Weltdüngung beitragen.
Andererseits können die im Boden enthaltenen Nitrate von Bakterien (z.B.:Flavobacterium) zu N2 und N2O (Lachgas) reduziert werden, die der Boden wieder an die Atmosphäre abgibt. Dieser der Düngung entgegenwirkende Prozeß wird Denitrifikation genannt.
NO3- e- NO2- e- NO e- N2O e- N2
Es ist nur wenigen Mikroorganismen möglich wie Azotobacter, die stabilen N2-Moleküle in Nitratverbindungen überzuführen. Knöllchenbakterien, die mit Pflanzen wie Erbsen, Bohnen oder Klee in Symbiose leben, sind in der Lage durch die biologische Stickstoff-Fixierung das N2-Molekül zu Ammoniak zu reduzieren.
NN + 8H+ + 6e- ~15 ATP 2NH4+ durch das Enzym Nitrogenase katalysiert.
Nitrogenase ist ein wichtiger Enzymkomplex, der aus zwei Metallproteinen besteht. Sie katalysiert die ATP-abhängige (Energielieferant) Reduktion von Stickstoff mittels Ferredoxinen und Flavodoxinen welche den Elektronentransport übernehmen. Die Reaktion führt zu Ammoniak, und wird bei der Gründüngung, z.B. durch Einackern von Klee ausgenutzt.
Der Ammoniak wird weiters durch nitrifizierende Bodenbakterien in Nitrate umgewandelt welche die Pflanzen aufnehmen. Diesen Prozeß nennt man Nitrifikation, welcher in 2 Schritten abläuft:
Die Gattung der Nitrosomonas sind Nitrit-Bildner:
2NH4+ + 3 O2 2NO2- + 4H+ + 2H2O + 636 kJ
Die Gattung der Nitrobacter sind Nitrat-Bildner:
2NO2- + O2 2 NO3- + 151 kJ
Pflanzen welche nicht mit Azotobacter in Symbiose leben, müssen durch Aufnahme vorhandener, oder durch Mineraldünger zugeführter, stickstoffhaltiger Verbindungen ihren Stickstoffbedarf decken, welche als Düngesalze vor allem Ammoniumnitrat und Ammoniumsulfat beinhalten. Sie werden meist durch die direkte Reaktion zwischen Ammoniak und Salpetersäure bzw. Schwefelsäure gewonnen.
NH3 + HNO3 NH4NO3
2NH3 + H2SO4 (NH4)2SO4
Weiters zählen zu den Stickstoffdüngern außer Ammoniumsulfat und Ammoniumnitrat, Kalkammonsalpeter, Harnstoff (O=C(NH2)2, Harnstoff-Aldehydkondensate, Stickstoffmagnesia, Ammonsulfatsalpeter, Kalksalpeter, und Calciumcyanamid. Sie enthalten als Nährstoff ausschließlich Stickstoff, der durch Hydrolyse in Form von Ammoniak, Harnstoff oder Nitrat frei wird. Cyanamid und Kalkstickstoff hält gleichzeitig Unkräuter und manche Pflanzenschädlinge in Schach.
BEDEUTUNG UND GEWINNUNG DER KALIUMSALZE: Kaliumsalze sind für die Zusammensetzung der Zellflüssigkeit von großer Bedeutung.
In den Pflanzen fördert Kalium vor allem den notwendigen Quellungszustand der Plasmakolloide und aktiviert verschiedene Enzymsysteme.
Das Kalium in den Düngemitteln wird aus Kalisalzlagerstätten gewonnen. In Deutschland, Frankreich, Rußland, den USA und in Kanada gibt es große Lagerstätten von Kaliumchlorid. Die Kalisalze entstanden zusammen mit Steinsalzlagern (NaCl) durch Austrocknung von Binnenmeeren. Durch die bessere Wasserlöslichkeit finden sich die Kali- und Magnesiumsalze über dem Steinsalzhorizont, da sie als Letztes auskristallisiert sind. Man nennt sie auch Abraumsalze, da sie früher, bevor die Bedeutung der Kalisalze erkannt wurde, beim Salzbergbau weggeräumt wurden, um zum Steinsalz zu gelangen.
Kalisalze werden den Düngern entweder direkt als Kaliumchlorid zugesetzt oder für chloridempfindliche Kulturen durch Reaktion mit Schwefelsäure in Kaliumsulfat umgewandelt.
BEDEUTUNG UND GEWINNUNG DER PHOSPHORVERBINDUNGEN: Phosphor nimmt die Pflanze als Phosphat auf. Als Rohstofflieferant dienen die Phosphatlagerstätten in Nordafrika und Florida. Sie enthalten Calciumphosphat Ca3(PO4)2, den Phosporit bzw. Apatit (Ca5F(PO4)3 und Ca5OH(PO4)3.
Auch die Schlacke von bestimmten Stahlherstellungsverfahren enthält so viel Calciumphosphat, daß sie für die Düngemittelherstellung brauchbar ist.
Phosphorit ist mit Quarzsand und Calciumfluorid verunreinigt. Dieses Rohphosphat ist wasserunlöslich und muß für die Pflanze in wasserlösliche Verbindungen übergeführt werden. Meist wird es mit Schwefelsäure aufgeschlossen.
Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 Ca(H2PO4)2 + 2 CaSO4
Die Mischung aus Calciumhydrogensulfat und Calciumsulfat (Gips) bezeichnet man als Superphosphat. Es kann direkt als Düngemittel verwendet werden.
Bei Schwefelsäureüberschuß entsteht Phosphorsäure, welche dann zu Ammoniumhydrogenphosphat weiterverarbeitet wird als Nebenprodukt entsteht Gips, welcher zu Gipsplatten weiterverarbeitet werden kann.
Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 2 H3PO4 + 3 CaSO4
H3PO4 + 2NH3 (NH)2HPO4
ODDA-VERFHREN: Ein anderes Verfahren zum Phosphataufschluß ist das Oddaverfahren. Dabei schließt man Phosphat mit überschüssiger Salpetersäure auf.
Dies vermeidet das Deponieprodukt Gips. Der größte österreichische Düngemittelhersteller, die Agro-Linz, arbeitet nach diesem Verfahren.
Das Rohphosphat wird mit überschüssiger Salpetersäure aufgeschlossen:
Ca3(PO4)2 + 6 HNO3 2H3PO4 + 3 Ca(NO3)2
Die Lösung wird auf 0°C abgekühlt. Dabei kristallisiert Calciumnitrat zum Großteil aus, und wird anschließend abfiltriert, in verdünnter Ammoniumnitratlösung gelöst und mit Ammoniak und Kohlendioxid gesättigt:
Ca(NO3)2 + 2NH3 + CO2 + H2O CaCO3 + 2NH4NO3 (=Kalkammonsalpeter)
Die Mischung wird konzentriert, mit weiterem Ammoniumnitrat versetzt und kommt nach dem Trocknen als Kalkammonsalpeter in den Handel. Das entstandene Produkt ist sowohl Kalk als auch Stickstoffdünger.
Das Filtrat aus diesem Prozeß besteht aus Phosphorsäure sowie überschüssiger Salpetersäure und dient als Ausgangsstoff für die Volldüngerherstellung. Es wird mit Ammoniumnitrat und Schwefelsäure versetzt und solange mit Ammoniak gesättigt, bis ein pH-Wert von 4,8 erreicht ist.
Nun liegt eine konzentrierte Aufschlämmung von Ammoniumnitrat, Ammoniumsulfat, Ammoniumhydrogenphosphat und Ammoniumdihydrogenphosphat vor, die man NP-Maische nennt. Das gewünschte Verhältnis von Stickstoff zu Phosphor wird durch die Ammoniumnitratzugabe eingestellt.
Zur NP-Maische wird Kaliumchlorid oder Kaliumsulfat zugegeben, bis der gewünschte Prozentsatz an Kalium erreicht ist. Man kann noch zusätzlich Magnesium und Spurenelemente zusetzen. Nun wird eingedampft, und als Endprodukt entstehen Düngemittelkörner, die sämtliche gewünschten Nährstoffe enthalten. (NPK-Dünger).
Der Fluoridanteil des Rohphosphats, der beim Aufschließen als HF und SiF4 (Tetrafluorsilan) verdampft, wird in Abgasreinigungsanlagen als schwerlösliches CaF2 abgeschieden.
ODDA-VERFAHREN:
CO2
NH3
H2O
NH4NO3
H2SO4
NH3
KCl oder K2SO4
Neben den drei Hauptnährstoffen ist es bei bestimmten Bodenarten nötig, weitere Nährstoffe zuzuführen, wie zum Beispiel Spurenelemente, Halmfestiger, Bodenverbesserungs- und Pflanzenschutzmittel.
Magnesium benötigt die Pflanze zum Aufbau des Chlorophylls. Es wird als Magnesiumchlorid oder Magnesiumsulfat eingesetzt und stammt aus Abraumsalzlagern.
Calcium wird als Kalk (CaCO3) eingesetzt. Wichtig ist das Kalken bei sauren Böden, da Calciumcarbonat neben der Calciumversorgung für die Pflanze auch eine Pufferwirkung im Boden ausübt.
Bodenverbesserungsmittel: Werden den Düngemitteln zugesetzt, welche schon in relativ kleinen Mengen die allgemeine Bodenstruktur (Krümelung, Lockerungsgrad, Gas-Durchlässigkeit, Wasser-Bindungsfähigkeit und dergleichen) verbessern, ohne Pflanzennährstoffe zu enthalten. Als Bodenverbesserer im weitesten Sinne wirken zum Beispiel Stallmist, Kalk, Humus, Torfmull, Sägemehl, Silikate und Rotschlamm.
Halmfestiger (Chlormequatchlorid): Sind Pflanzenwachstumsregulatoren welche besonders bei Getreide zur Bildung kürzerer und stärkerer Halme führen, die widerstandsfähiger gegen das Knicken sind.
Überdüngung: ("Eutrophierung") Den Bodengegebenheiten nicht angepaßte Verwendung von Düngern verursachen heute manche Umweltprobleme.
So gelangen zum Beispiel Nitrat-Ionen in das Grundwasser und können zu einer Belastung des Trinkwassers führen. Andererseits können die denitrifizierenden Bakterien Nitrate auch zu Lachgas umwandeln. Diese Verbindung tritt aus dem Ackerboden langsam in die Ozonosphäre über und trägt dort zur Schädigung des Ozonschildes bei.
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