Ammoniak (NH3), lachgas (N2O), ammoniumsulfaten en -sulfieten, en stikstofoxiden (NO en NO2), zijn reactieve vormen van stikstof die wereldwijd grote milieuproblemen veroorzaken. Ammoniak verzuurt bodem en water waardoor de biodiversiteit verdwijnt. De productie van stikstofrijke kunstmest veroorzaakt jaarlijks 1,2 gigaton aan CO2-emissies en is zo een aanjager van klimaatverandering. Het broeikaseffect van een molecuul lachgas is 300 keer zo groot als dat van een molecuul CO2. Emissies van NO en NO2 door verbrandingsmotoren, industrie en landbouw veroorzaken verschillende vormen van luchtverontreiniging en zijn daarmee een bedreiging van de gezondheid. Inderdaad, de wereld heeft een groot stikstofprobleem.

‘CO2 is als belangrijkste veroorzaker van klimaatverandering min of meer uitgeroepen tot volksvijand nummer een,’ zegt professor Mark Sutton, ‘dat maakt het soms lastig om ook nog eens aandacht te krijgen voor de nadelige effecten van een overdaad aan reactieve stikstof in het milieu.’ Sutton, professor milieuwetenschappen aan de Universiteit van Edinburgh en specialist op het terrein van de stikstofkringloop, heeft de afgelopen twintig jaar een prominente rol gespeeld bij alle internationale initiatieven rond de globale stikstofcrisis. Sinds 2017 is hij vicevoorzitter van de Global Partnership on Nutrient Management van de VN.

‘De wereld heeft de problemen die worden veroorzaakt door reactieve stikstof te lang genegeerd,’ zegt Sutton. ‘Dat komt ook omdat de rol van stikstof in het milieu erg complex is. Reactieve stikstof manifesteert zich in verschillende vormen en veroorzaakt niet alleen vervuiling van bodem, lucht en water, maar ook nog eens het opwarmen van de aarde, het verlies aan biodiversiteit en de aantasting van de ozonlaag.’

‘Je kunt dus zeggen dat de stikstofcrisis complex is omdat een overdaad aan stikstof veel verschillende problemen veroorzaakt’, zegt Sutton. ‘Het is beter deze redenering om te draaien: we kunnen veel problemen tegelijkertijd aanpakken door de hoeveelheid reactieve stikstof in de biosfeer en atmosfeer drastisch te verminderen. Wanneer je streeft naar een schoner milieu, dan moet je het stikstofprobleem aanpakken.’ Stikstof heeft daarbij volgens Sutton één voordeel over CO2. ‘Er zijn mensen die de rol van CO2 in klimaatverandering ontkennen, maar er zijn geen stikstofontkenners. De negatieve effecten van stikstof worden algemeen erkend.’

De stikstofkringloop

Om te begrijpen hoe de mens die stortvloed aan reactieve vormen van stikstof heeft laten ontstaan, moeten we eerst kijken naar de natuurlijke stikstofkringloop. De atmosfeer bestaat voor 78 procent uit N2, het stikstofgas dat de hemel blauw maakt. We ademen het in en we ademen het onveranderd weer uit. Dankzij de driedubbele binding tussen beide stikstofatomen reageert N2 namelijk niet met andere moleculen. Toch hebben alle organismen stikstof nodig omdat het een essentiële bouwsteen is voor DNA, eiwitten en aminozuren. Mensen en dieren krijgen daarom stikstof binnen door het eten van planten die eiwitten en nitraten bevatten. Planten halen de stikstof in de vorm van nitraten uit de bodem. De afvalstoffen (mest) en stoffelijke resten van mensen en dieren keren als nitraten terug in de bodem.

Dat er steeds weer nieuwe stikstof uit de lucht in de bodem belandt, hebben we te danken aan een speciale groep van bacteriën die in staat zijn stikstof te fixeren. Dat betekent dat ze N2-moleculen uit de lucht halen en deze omzetten in ammoniak. Andere bacteriën zetten deze ammoniak dan weer om in nitraten die door planten kunnen worden opgenomen. De bacteriën die stikstof uit de lucht fixeren, leven voornamelijk in de wortelknollen van vlinderbloemige planten zoals bonen, erwten, alfalfa en soja. Vandaar dat boeren deze gewassen verbouwen om tekorten aan stikstof in de bodem aan te vullen. Ten slotte zijn er ook nog bacteriën die nitraten in de bodem weer omzetten in N2 en daarmee is de cirkel rond.

Stikstof, kalium en fosfor zijn de drie belangrijkste voedingstoffen voor planten en daarom essentieel voor iedere vorm van landbouw. In de meeste gevallen bepaalt vooral de aanwezigheid van voldoende stikstof of een plant goed kan groeien en een oogst daardoor zal slagen. Boeren gooien daarom al eeuwenlang menselijke en dierlijke mest en organisch afval als voeding over hun akkers. De boeren van Midden-Amerika ontdekten al eeuwen geleden dat hun maisplanten beter groeiden in combinatie met bonen. De logica daarvan werd pas veel later ontdekt: de bacteriën op de wortels van de bonenplanten brengen nieuwe stikstof in de bodem.

Toen in de negentiende eeuw de wereldbevolking snel begon te groeien, moesten landbouw en veeteelt steeds meer voedsel produceren. En dat was een groot probleem. In Europa waren de meest geschikte landbouwgronden reeds intensief in gebruik en veel akkers raakten uitgeput door een tekort aan stikstof in de bodem. Met iedere oogst werd meer stikstof uit de aarde gehaald dan de bacteriën op natuurlijke wijze konden aanvullen. De Europese landbouw had meer stikstof nodig. Dat probleem werd grootschalig opgelost door eerst miljoenen tonnen guano (stikstofrijke vogelpoep) en vervolgens chilisalpeter (kaliumnitraat) te importeren uit Zuid-Amerika. Dankzij deze producten konden bestaande akkers meer produceren en nieuwe gronden geschikt worden gemaakt om ook gewassen te produceren.

Kunstmest

En toen was er kunstmest. In de aanloop naar de Eerste Wereldoorlog was Duitsland bang dat het afgesneden zou worden van de aanvoer van chilisalpeter uit Zuid-Amerika. Duitsland had dat product niet alleen nodig voor het bemesten van landbouwgronden, maar ook voor de productie van explosieven voor het leger. De beste Duitse chemici gingen daarom naarstig op zoek naar nieuwe methoden om stikstof te winnen. In 1909 was het raak. In dat jaar lukte het de chemicus Fritz Haber om in zijn laboratorium stikstof uit de lucht te halen en deze met behulp van een katalysator (osmium) om te zetten in ammoniak. Zijn collega Carl Bosch, een chemicus van BASF, slaagde er vervolgens in de methode van Haber op te schalen tot een industrieel proces.

Het zogenaamde Haber-Boschproces is volgens velen de belangrijkste ontdekking van de twintigste eeuw geweest. Dankzij de productie van synthetische ammoniak werd het mogelijk op grote schaal kunstmest te produceren. Deze kunstmest zorgde er vervolgens voor dat landbouwgronden veel intensiever gebruikt konden worden en dat de productie per hectare van de belangrijkste gewassen als tarwe en mais omhoog ging. De Duitsers spraken over Haber-Bosch als brot aus luft (brood uit de lucht). De bekende auteur Steven Pinker schrijft in zijn boek Enlightenment Now dat er geen wetenschappers zijn die zoveel levens hebben gered als Fritz Haber en Carl Bosch.

Dat Haber-Bosch een historische doorbraak betekende, werd al snel onderkend. Beide Duitsers ontvingen daarom al in 1918 samen de Nobelprijs voor de Chemie. Toch was het toekennen van deze prijs aan Fritz Haber zeer omstreden. Haber had namelijk tijdens de Eerste Wereldoorlog persoonlijk de leiding over de ontwikkeling en toepassing van de Duitse gifgassen. Op 22 april 1915 voerde hij zo het bevel over de Duitse soldaten die bij Ieper voor het eerst chloorgas verspreidden over de loopgraven waarin nog diezelfde dag zo’n 5.000 geallieerde soldaten op afschuwelijke wijze aan hun einde kwamen. Haber draagt dan ook nog steeds de bedenkelijke titel van ‘vader van de chemische oorlogsvoering.’

Groene revolutie, rode algen

Na de Tweede Wereldoorlog zorgde de groene revolutie ervoor dat de landbouw in staat was een wereldbevolking van meer dan vier miljard mensen plus de alsmaar groeiende veestapels te voeden. Dat kwam door de introductie van nieuwe soorten rijst, tarwe en mais die per hectare meer en meer opleverden wanneer de boeren maar voldoende kunstmest gebruikten. Sutton zegt het zo: ‘Wanneer je genetica beschouwt als de motor van de groene revolutie, dan is kunstmest de brandstof die de revolutie mogelijk maakte.’ Tussen 1961 en 2022 steeg het mondiale gebruik van kunstmest van veertig miljoen ton per jaar tot meer dan 125 miljoen ton per jaar.

Vandaag is de helft van de wereldbevolking voor zijn voeding totaal afhankelijk van het gebruik van kunstmest. Interessant detail: bij de meeste mensen in Europa en de VS is meer dan de helft van alle stikstof in hun lichamen via het Haber-Boschproces ontstaan. Verder is het zo dat bijna een derde van alle landbouwgronden op aarde gebruikt wordt voor het verbouwen van voedsel voor vee. Ook die akkers worden rijkelijk bestrooid met kunstmest. Al de nitraten die mensen en dieren consumeren, komen uiteindelijk weer als mest en organisch afval in het milieu terecht.

Dankzij de ontdekking van de Duitse chemici Carl Bosch (links) en Fritz Haber (rechts) werd het mogelijk op grote schaal kunstmest te produceren.

In de afgelopen vijftig jaar is de mensheid erin geslaagd door de alsmaar groeiende hoeveelheden dierlijke mest, kunstmest, rioolwater en de emissies van fossiele brandstoffen de hoeveelheid reactieve stikstof in het milieu te verdubbelen. Nederland is zo door het groeiende aantal koeien, kippen, geiten en schapen in een stikstofcrisis belandt. Nederlandse natuurgebieden verkommeren omdat de meeste planten niet gedijen bij een overvloed aan stikstof in de bodem. Via de import van bijna een kwart miljoen ton krachtvoer per jaar uit de VS en Brazilië draagt de Nederlandse landbouw ook weer bij aan de stikstofcrisis in die landen.

In veel delen van de wereld is kunstmest de boosdoener van de stikstofcrisis. Het probleem: meer dan de helft van alle kunstmest die over landbouwgronden wordt uitgereden, wordt niet door planten opgenomen en omgezet in voedsel, maar spoelt weg naar rivieren, meren, ondergrondse waterreservoirs en zeeën. Deze overdaad aan stikstof kan een explosieve algengroei veroorzaken. De algen halen alle zuurstof uit het water, waardoor alle andere organismen in het water stikken, een aanslag op de biodiversiteit. Zo ontstaan er in de wereldzeeën ieder jaar meer dan vierhonderd zogenaamde dead zones. Deze ‘dode zone’ kan in de Baltische Zee in sommige jaren meer dan 50.000 vierkante kilometer beslaan.

Vervuiling is geld?

‘Al die reactieve stikstof in het milieu betekent vervuiling die je moet aanpakken, maar je kunt het ook op een andere manier bekijken,’ zegt Sutton. ‘De industrie gebruikt enorm veel energie, en dus geld, om via Haber-Bosch stikstof uit de lucht om te zetten in ammoniak en andere reactieve moleculen. Ik probeer mensen duidelijk te maken dat al die stikstof die nu in het milieu terechtkomt daar niet alleen kostbare schade berokkent, maar ook een enorm verlies aan grondstoffen betekent.’ Sutton rekent voor dat alle reactieve stikstof die ieder jaar in de EU verloren gaat in de landbouw en de industrie een waarde vertegenwoordigt van ongeveer zestig miljard euro. Sutton: ‘Dat is evenveel geld als de jaarlijkse landbouwbegroting van de EU.’

Volgens Sutton kan de wereld veel geld besparen door alle vormen van reactieve stikstof zo optimaal mogelijk te gebruiken en de hoeveelheden die nu als vervuiling in biosfeer en atmosfeer belanden te recyclen. Dat betekent in de eerste plaats dat kunstmest veel effectiever gebruikt moet worden, waardoor de stikstof in de planten terechtkomt en niet in het water. Het betekent ook dat de stikstofoxiden die door de industrie worden uitgestoten moeten worden afgevangen en gebruikt voor de productie van kunstmest. Daarnaast moeten zuiveringsinstallaties stikstofnitraten uit het rioolwater winnen voor hergebruik.

Sutton meent dat het voor de meeste landen mogelijk is om het jaarlijkse verlies aan reactieve stikstof met de helft terug te dringen. Het is daarvoor essentieel dat mensen anders gaan eten: minder vlees en minder zuivelproducten. ‘De gemiddelde Europeaan consumeert twee keer zoveel eiwitten als noodzakelijk is voor een gezond dieet’, zegt Sutton. ‘Wanneer de Europeanen de helft minder vlees en zuivelproducten zouden eten en meer plantaardig voedsel, dan is het zonder andere technische maatregelen reeds mogelijk de stikstofvervuiling in de EU met veertig procent te verminderen.’ Sutton noemt zichzelf een demi-terian, hij eet half zoveel vlees als hij vroeger consumeerde.

Naast veranderingen in voedingsgewoonten kunnen technische maatregelen – efficiënter gebruik en recycling – zorgen voor een nog verdere vermindering van het verlies aan stikstof. Nederland mag nu midden in een grote stikstofcrisis zitten, toch laat dat land volgens Sutton juist zien hoe dat mogelijk is. ‘Tussen 1997 en 2020 heeft Nederland maatregelen genomen waardoor de emissies van ammoniak reeds zijn gehalveerd. Dat dat nog steeds niet voldoende is, komt omdat Nederland zo’n geweldig intensieve landbouw en veeteelt heeft. De grenzen van wat technisch mogelijk is, zijn in Nederland bijna bereikt en daarom kan nu alleen nog het inkrimpen van de veestapel uitkomst brengen.’

Bestaat er internationaal overeenstemming en de wil om daadwerkelijk iets aan het stikstofprobleem te doen? Sutton is voorzichtig optimistisch. Op de internationale conferentie over biodiversiteit die in december plaatsvond in het Canadese Montreal hebben de deelnemende landen zich onder meer als doel gesteld om in 2030 het lozen van alle excess nutrients – daarbij hoort dan ook stikstof – in het milieu minimaal te halveren. Het is zeer de vraag of dit zal lukken, maar het is goed dat er nu in ieder geval een doel is om naar te streven.