Phosphor ist ein essentieller Stoff für alle Lebewesen. Er ist ein Bestandteil der DNA, der Trägersubstanz der Erbinformation, spielt eine entscheidende Rolle beim Energiestoffwechsel der Zellen und bildet die Gerüstsubstanz von Knochen und Zähnen. Phosphor ist in Zuckerphosphaten, Phospholipiden und Coenzymen enthalten und ein elementarer Bestandteil des pH-Puffersystems im Blut. Der Phosphor, den Mensch und Tier über die Nahrung zu sich nehmen, wird teils in die Knochen eingebaut und großteils wieder ausgeschieden. Bei Pflanzen hat Phosphor Einfluss auf die Photosynthese und den Wasser-und Kohlenhydrathaushalt. Ein erwachsener Mensch, der über längere Zeit weniger als 0,7 Gramm Phosphor pro Tag über die Nahrung zu sich nimmt, entwickelt Mangelerscheinungen, zum Beispiel Probleme bei der Knochen-und Zahnbildung. Weil Phosphor auch für das Pflanzenwachstum entscheidend ist, wird er als Bestandteil von Mineraldünger auf die Felder aufgebracht.
Während der Düngerbestandteil Stickstoff aus der Atmosphäre synthetisiert werden kann, ist Phosphor begrenzt verfügbar. Europa hat kaum eigene Phosphat-Lagerstätten und ist deshalb auf Importe aus Marokko, China, den USA, Südafrika und Jordanien angewiesen, wo es die weltweit größten Vorkommen gibt. Diese reichen, je nach Schätzung, aber nur mehr für 50 bis 200 Jahre.
Tierernährung und Pflanzenbau
Zahlreiche Forschungseinrichtungen in Europa haben deshalb in den letzten Jahren darüber geforscht, wie Phosphor aus Gülle, Klärschlamm, Urin oder Schlachtabfällen wiedergewonnen werden kann. Am Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft der Technischen Universität Wien wurde außerdem eine Phosphor-Bilanz aufgebaut. Damit kann man feststellen, wie viel Phosphor verbraucht wird, wo er herkommt - und wie viel Phosphor verloren geht.
Früher wurde Phosphat aus Gülle, Klärschlamm und Schlachtabfällen gewonnen, aus hygienischen Gründen und nach dem Auftreten der Rinderkrankheit BSE wurde das jedoch großteils verboten. Nun gelangt der Phosphor über die Abwasserentsorgung und durch Bodenerosion -weil zu viel Dünger auf die Äcker aufgebracht und dann ausgeschwemmt wird -in die Flüsse und Meere und treibt dort das Wachstum von Algen an, wodurch das ökologische Gleichgewicht gestört wird. Oder der Phosphor endet im Klärschlamm, der in Österreich etwa zur Hälfte verbrannt wird. Und landet damit unwiederbringlich im daraus hergestellten Zement oder auf der Deponie.
Am Leibniz-Institut für Nutztierbiologie bei Rostock beginnen Forscher nun, das Pferd von der anderen Seite aufzuzäumen: Sie suchen nach Möglichkeiten, den Einsatz von Phosphor in der Nutztierhaltung von Schweinen und Hühnern effizienter zu gestalten. Ihr europäisches Forschungsprojekt PEGaSus wird drei Jahre laufen und ist mit zwei Millionen Euro gefördert.
"Die Verwertung von Phosphor ist bei den Tieren unterschiedlich gut und es ist unklar, warum das so ist. Ältere Untersuchungen geben Hinweise darauf, dass das genetische Ursachen haben könnte", sagt der Projektleiter Klaus Wimmers. Er und sein Team werden sich deshalb wesentliche genetische Stellen für Darm, Niere und den Knochenstoffwechsel ansehen, inklusive der entsprechenden Hormone. Wichtig sei dazu auch die Frage, wie Phosphor im Futter vorliegt. "Wir arbeiten deshalb mit Kolleginnen und Kollegen aus der Tierernährung und dem Pflanzenbau zusammen", so Wimmers. Im ersten Schritt konzentrieren sich die Forschungspartner auf die Futterpflanze Comfrey, der nachgesagt wird, im Boden enthaltenes Phosphor in hohem Maße bioverfügbar zu machen. Comfrey, auch bekannt als Beinwell, wurde übrigens in der Traditionellen Europäischen Medizin (TEM) als Heilpflanze gegen Knochenkrankheiten eingesetzt.
Die Wissenschaftler wollen auch Hinweisen nachgehen, inwieweit eine Wechselwirkung zwischen der Phosphorversorgung und dem Immunsystem der Tiere besteht.
Ziel des Forschungsprojekts PEGaSus ist, Wege zur Optimierung der Phosphorverwertungskette zu finden. Vom Boden über die Pflanze bis in den Verdauungstrakt der Tiere soll Phosphor besser aufgenommen, gespeichert und verwertet werden. Das Projekt ist Teil des Europäischen Forschungsnetzwerks für nachhaltige Tierhaltung (ERA-Net SusAn), mit Kooperationspartnern in Nordirland, Dänemark, Italien und Schweden. Im deutschen Bundesland Mecklenburg-Vorpommern, wo das Leibniz-Institut für Nutztierbiologie beheimatet ist, gibt es einen ganzen Forschungscampus, der sich mit dem Thema Phosphor beschäftigt. Denn die Nachfrage nach Phosphor steigt mit der wachsenden Weltbevölkerung und der Intensivierung der Landwirtschaft um zwei bis drei Prozent pro Jahr. Von den weltweit jährlich etwa 17,5 Millionen Tonnen geförderten Phosphaten wird der Großteil zur Herstellung von Düngemitteln verwendet. In Österreich wurden im Jahr 2013 laut Eurostat rund 16.000 Tonnen Phosphordünger verbraucht.
Phosphor-Bilanz in Österreich
Phosphate werden aus Mineralen gewonnen, wie zum Beispiel Apatit. Früher fanden sich die Phosphatvorkommen mit der höchsten Konzentration auf der Pazifikinsel Nauru und waren aus Vogel-Dung (Guano) entstanden. 2007 stieg der Preis für Phosphat plötzlich an und eine Gruppe von Wissenschaftlern behauptete sogar, wir würden in 25 Jahren den "Peak P", also den Höhepunkt der Phosphat-Gewinnung erreichen: Von da an ginge es bergab. Mittlerweile wisse man, dass das nicht richtig sei, außerdem seien die Methoden für den Abbau von Phosphat verbessert worden, sagt Klaus Wimmers. Die Krise hat jedoch die Forschung weltweit angeregt, nach besseren Recyclingmethoden zu suchen.
Die Phosphor-Bilanz, die die TU Wien 2014 für Österreich erstellt hat, zeigt, dass der Import von Mineraldüngern bei unverändertem Phosphat-Einsatz in der Landwirtschaft um 60 Prozent reduziert werden könnte, wenn Phosphor aus Abfällen wiedergewonnen werden kann. Im kommunalen und industriellen Abwasser eines Jahres sind laut dieser Bilanz rund 7800 Tonnen Phosphor enthalten. Davon werden 6600 Tonnen in den kommunalen Klärschlamm transferiert. In den jährlich anfallenden tierischen Abfällen sind rund 5500 Tonnen Phosphor enthalten. Prinzipiell wäre es jetzt schon technisch möglich, Klärschlamm und tierische Abfälle zu verbrennen, um Keime abzutöten, Schwermetalle aus der Asche zu entfernen und daraus den Phosphor wiederzugewinnen. Das Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft der TU Wien hat etwa 50 bestehende Verfahrensansätze für Phosphorrecycling getestet und bewertet. "Vom technischen Aspekt her sind diese Technologien alle beherrschbar", sagt Lukas Egle, der dazu geforscht hat. Die Abfallverwerter und die Düngemittelindustrie müssen nun jedoch klären, welche Verfahren für sie auch wirtschaftlich nachhaltig sind.
Mit der wachsenden Weltbevölkerung und der intensivierten Landwirtschaft steigt die globale Nachfrage nach Phosphor.
Europa hat kaum eigene Phosphat-Lagerstätten und ist deshalb auf Importe angewiesen. Aber selbst die weltweit größten Vorkommen reichen, je nach Schätzung, nur mehr für 50 bis 200 Jahre.
Phosphorquellen
Wer längerfristig zu wenig Phosphor über die Nahrung zu sich nimmt, entwickelt Mangelerscheinungen wie etwa Probleme bei der Knochenbildung. Reichhaltige sind eiweißhaltige Produkte, Hülsenfrüchte, Obst und Gemüse.
PHOSPHOR-KREISLAUF
Die Phosphate eines Ökosystems stammen aus der Verwitterung von phosphorhaltigem Gestein (v.a. Apatit) und aus phosphorhaltigen organischen Resten. Nach Aufnahme durch die Pflanzen gelangt das Phosphat in die Nahrungskette, durch Auswaschung über Flüsse und Grundwasser in die Meere und somit ebenfalls in die Nahrungskette.
