Stikstof, vloek of van levensbelang?

Stikstof, het afgelopen jaar een veel besproken onderwerp, alhoewel het door de coronacrisis nu iets naar de achtergrond wordt geschoven.

Stikstof is een essentieel element dat in vele vormen in onze leefwereld voorkomt. Sommige zien het nu als een vloek, maar in de basis is het onmisbaar voor ons leven op aarde.

In bepaalde verschijningsvormen is stikstof minder gewenst, zoals bijvoorbeeld ammoniak uit stallen of NOx uit uitlaatgassen. Aan de andere kant is stikstof nodig voor de groei van planten en is het een belangrijk element van eiwit, een belangrijk onderdeel van onze voeding.

De uitdaging is dus om de stikstofkringloop efficiënter te maken. NOx komt vrij bij verbrandingsprocessen van o.a. fossiele energie. Hier dus de uitdaging om over te schakelen naar duurzame energiebronnen. Ammoniak is (net als methaan) een resultante van rottingsprocessen. Dit zijn zuurstofloze afbraakprocessen waarbij micro-organismen een belangrijk rol spelen in de omzetting van stikstof naar minder gewenste emissie zoals ammoniak. Hier de uitdaging om nieuwe systemen te ontwikkelen waarbij stikstof in de kringloop op het juiste moment en in de juiste vorm beschikbaar blijft.

Er is nog veel te leren. Daarom nu maar eerst eens inzoomen op stikstof. Wat is het, wat doet het en hoe gedraagt het zich in verschillende processen?

Met dank aan Han Blok hier een artikel over meer achtergrond van stikstof.

Stikstof is het zevende element in het periodiek systeem, aangeduid met de “N” vanwege de Griekse naam Nitrogenium. Het heeft een atoommassa van 14 wat betekent dat het 14 keer zo zwaar is als het eerste en lichtste element Waterstof dat wordt aangeduid met de “H” van Hydrogenium. Stikstof volgt op het zesde element Koolstof, aangeduid met “C” van Carbonium en wordt opgevolgd door het achtste element Zuurstof, aangeduid met een “O” vanwege  Oxygenium.

Dit minicollege gaat over de vele verbindingen tussen H, C, N en O. Zouden we hier ook nog de verbindingen met de elementen Zwavel “S” en Fosfor “P” aan toevoegen dan hebben we bijna het grootste deel van alle levende materie op aarde.  S en P laten we hier buiten beschouwing.

Het element Stikstof komt niet vrij voor, maar onze atmosfeer bestaat voor 80 % uit stikstofgas dat bestaat uit moleculen met twee atomen “N₂”. Het is niet schadelijk, maar zou het percentage hoger worden, richting de honderd dan stikken we, vandaar de naam Stikstof. Verder moet je alleen voor stikstofgas oppassen bij het duiken, vanwege de zogenaamde caissonziekte.

Het element Stikstof kan verbindingen vormen met Koolstof “C”, met het kleinste element Waterstof “H” en met Zuurstof “O”. Met maximaal drie atomen waterstof kan Ammoniak (NH₃) gevormd worden en met maximaal drie atomen zuurstof Nitraat (salpeterzuur HNO₃).

De eenvoudigste verbinding met Koolstof is Cyanide (blauwzuur HCN) en dat is een uiterst giftig stofje waarmee je ratten kunt bestrijden.

Nitraat NO₃^– is goed in water oplosbaar maar komt niet voor in gasvorm. Je kunt het zonder al te veel problemen eten en drinken. In het sap van spinazie zit soms een halve gram per liter. Ammoniak NH₃ is wel een gas en goed te ruiken maar lost tot een bepaalde mate ook in water op en vormt dan met een molecuul water (H₂O) een molecuul ammoniumhydroxide NH₄(OH). Samen met het Chloride (Cl^–) uit keukenzout krijg je Salmiak (NH₄Cl )en dat weer gemengd met droppoeder geeft zwartwit en dat vinden we soms heel lekker.

In alle planten en dieren zit Stikstof gebonden in eiwitten. Het zit dan met twee atomen waterstof als een aminogroep (NH₂) gebonden met verschillende combinaties van koolstof en zuurstof. Eiwitten zijn gecompliceerde macromoleculen met twintig verschillende bouwstenen in wisselende volgorde. De volgorde van de verschillende bouwstenen wordt per soort door het DNA bepaald.

Planten kunnen zelf hun eiwit maken door Koolzuurgas (CO₂) te verbinden met Ammonium of via Nitraat uit de bodem, maar ze kunnen dat gek genoeg niet uit het ruimschoots in de lucht aanwezige Stikstofgas (N₂). Dieren kunnen zelf geen nieuw eiwit maken uit Ammonium of Nitraat maar vormen wel hun eigen eiwitten met de bouwstenen van afgebroken eiwitten uit het voedsel.

In het lichaam van dieren worden eiwitten voortdurend afgebroken en weer nieuw gemaakt. Het kleinste afbraakproduct, Ammoniak zou in het bloed schadelijk zijn en gelukkig ontstaat het onschuldige Ureum dat bestaat uit twee Aminegroepen en een CO-groep (NH₂)₂CO.

De talrijke soorten bacteriën op aarde zijn met elkaar veel knapper dan planten en dieren en kunnen diverse omzettingen met stikstofverbindingen verrichten. Sommige soorten kunnen Ammonium (NH₄OH) oxideren tot nitraat (NO₃^–). Dat heet Nitrificatie en gebeurt in de toplaag van bijna elke bodem met voldoende zuurstof. Het verloopt echter wel eens onvolledig waardoor er een tussenvorm ontstaat met twee zuurstof atomen. Dit Nitriet (NO₂) is erg giftig voor dieren. Een andere groep bacteriën is in staat om nitraat om te zetten in Stikstofgas (N₂). Dit heet denitrificatie en gebeurt ook in grond maar dan als er geen zuurstof in zit, bijvoorbeeld in een slootbodem of in een weiland dat onder water staat.  Ook dit verloopt niet altijd volledig waarbij een deel Nitriet (NO₂^–) als tussenproduct kan ontstaan of een ander tussenproduct met nog maar één zuurstof atoom, het lachgas (N₂O). Naar schatting wordt ongeveer 1 % van alle Stikstof in kunstmest omgezet tot lachgas.  Lachgas is algemeen bekend van de patronen voor de slagroomspuit en tegenwoordig ook vanwege de bedwelmende werking als party drug. Veel ernstiger is het effect op het klimaat. Lachgas is bijna 300 keer zo schadelijk als kooldioxide (CO₂). Gelukkig is de hoeveelheid niet zo groot omdat Nederlandse weilanden zelden onder water staan, maar bij een ander waterbeheer zou het veel meer kunnen worden. In buitenlucht zit duizend keer zo weinig lachgas als CO₂ en de bijdrage aan de klimaatopwarming is ongeveer 6%. Een ernstiger effect van lachgas is dat het net als de CFK gassen Ozon uit de atmosfeer wegneemt. Ozon beschermt ons tegen gevaarlijke straling en we moeten zuinig zijn op de Ozonlaag.

Omdat bodembacteriën de stikstof uiteindelijk ofwel tot gassen N₂ of N₂O, ofwel tot nitraat (NO₃ ) omzetten en nitraat uiteindelijk uitspoelt naar het diepere grondwater, zal elke bodem die niet bemest wordt op den duur stikstofarm worden. Dat wordt nog versterkt als het gewas wordt geoogst en afgevoerd zonder dat er een bemesting tegenover staat. Dat gebeurde vroeger op zogenaamde blauwgraslanden of schraalgraslanden die te nat waren voor beweiding. Het gebeurde ook op de heidevelden als de schapen ‘s nachts in de potstal de mest achterlieten voor op de akkers. Het gebeurt ook nog steeds op hoger gelegen bergweiden in de Alpen. Dat de verschraling van de grond kan worden tegengegaan door bemesting is al meer dan 10.000 jaar bekend, maar de natuur zelf heeft echter nog veel eerder wat andere kunstjes uitgevonden.

Ten eerste zijn er heel veel plantensoorten die dermate efficiënt met de stikstof om kunnen gaan dat ze met heel weinig kunnen volstaan. Dat zijn natuurlijk niet de snel groeiende soorten die wij graag als voedsel verbouwen, maar juist de langzame groeiers die omdat ze elkaar niet verdringen, een samengestelde flora van ongelofelijke biodiversiteit doen ontstaan. We moeten dan denken aan heidevelden die niet vergrassen of aan bloemrijke weiden met enkele honderden soorten bloemen en weinig gras, of oerbossen met vele tientallen soorten bomen door elkaar, veel dood hout en een rijke ondergroei. Over het algemeen kun je stellen dat de hoeveelheid stikstof in de bodem omgekeerd evenredig is met de soortenrijkdom. Er zijn zeldzame soorten die zelfs vrijwel helemaal geen stikstof verdragen zoals de wilde orchideeën. Naarmate de stikstofhoeveelheid in de bodem toeneemt, zullen snelgroeiende en stikstof-minnende plantensoorten gaan domineren. In het uiterste geval houden we alleen een vegetatie van braamstruiken en brandnetels over.

Een tweede uitvinding van moedertje natuur is de samenwerking tussen schimmels en bomen. Vrijwel alle boomsoorten hebben, als het goed is, rondom de haarwortels schimmeldraden. De schimmel verteert dode bladeren en takken en geeft de vrijkomende stikstof door aan de boomwortels in ruil voor een beetje suiker van de boom. We noemen dit Mycorrhiza (myco = schimmel en rhiza= wortel). In de herfst vormen die schimmeldraden vaak paddenstoelen, zoals de bekende vliegenzwam bij de berk, en dhet eekhoorntjesbrood bij de beuk etc. Veel van deze mycorrhiza-vormende paddenstoelen zoals de Cantharel houden niet van een bodem met veel stikstof.

De derde uitvinding van moedertje natuur is nog vernuftiger. Een zeer speciale groep bacteriën is in staat om zich in plantenwortels te vestigen en daar een knobbeltje te vormen. In deze wortelknolletjes wordt stikstofgas (N₂) omgezet tot voor de plant opneembare ammoniak. Dat kost energie maar die wordt door de plant geleverd in de vorm van suikers. Vroeger dachten we dat alleen Klaver, Lupine  en Els deze knolletjes met Rhizobacteriën konden maken, maar we weten intussen dat veel meer soorten dit kunnen. Men heeft kunnen meten dan een veld met ingezaaide klaver in een seizoen wel 400 – 500 kg stikstof vanuit de lucht naar de grond kan brengen.

Sinds 1910 kunnen ook mensen Stikstofgas (N₂) omzetten in Ammoniak (NH₃). Dat gebeurt via het zogenaamde Haber-Boschproces in kunstmestfabrieken. Die gebruiken zeer veel aardgas als energiebron en produceren veel CO₂ en leveren daardoor een grote bijdrage aan de klimaatopwarming.

Nog geen dertig jaar geleden is er in een Delfts laboratorium een groep bacteriën ontdekt die nog een heel ander kunstje kunnen. Deze Anammox bacteriën kunnen Ammoniak en Nitraat of Nitriet met elkaar laten reageren tot Stikstofgas. Gebleken is intussen dat deze tegenhangers van de stikstofbindende Rhizobacteriën overal in de natuur voorkomen waar weinig of geen zuurstof aanwezig is.

https://www.duurzaamnieuws.nl/een-kort-college-over-stikstof/