Was sind die Umweltauswirkungen von Nitraten und Phosphaten?

Die Umweltauswirkungen von Nitraten und Phosphaten zeigen sich vor allem in Gewässern. Wenn zu viele dieser Nährstoffe aus Düngemitteln in Seen gelangen, kommt es zur Eutrophierung. Das führt zu starkem Algenwachstum, Sauerstoffmangel und im schlimmsten Fall zum Umkippen des Gewässers.

Warum ist Nitrat im Trinkwasser gefährlich?

Nitrat-Ionen können im menschlichen Körper zu Nitrit reduziert werden. Nitrit blockiert den Sauerstofftransport im Blut, was besonders für Säuglinge lebensgefährlich ist. Zudem können im Magen krebserregende Nitrosamine entstehen.

Wie werden Phosphate in der Kläranlage entfernt?

Phosphate werden durch eine chemische Fällungsreaktion entfernt. Man gibt Eisenverbindungen wie Eisen(III)-chlorid ins Abwasser. Die Eisen-Ionen verbinden sich mit den Phosphat-Ionen zu einem schwerlöslichen Feststoff, der als Schlamm zu Boden sinkt und herausgefiltert wird.

Was bedeutet es, wenn ein See umkippt?

Ein See kippt um (Hypertrophierung), wenn durch Überdüngung massiv Algen wachsen und absterben. Bakterien zersetzen die toten Algen und verbrauchen dabei den gesamten Sauerstoff im Wasser. Ohne Sauerstoff sterben Fische und Pflanzen, und es entstehen giftige Gase wie Schwefelwasserstoff.

Umweltauswirkungen von Nitraten und Phosphaten

Hast du schon einmal einen See gesehen, der im Sommer plötzlich leuchtend grün und trüb wird? Oft riecht das Wasser dann unangenehm und das Baden wird verboten. Dieses Phänomen ist kein Zufall, sondern oft das direkte Ergebnis von zu vielen Nährstoffen im Wasser. In diesem Artikel schauen wir uns die Umweltauswirkungen von Nitraten und Phosphaten genauer an. Wir lernen, wie Düngemittel aus der Landwirtschaft in unser Trinkwasser und unsere Seen gelangen, warum das für unsere Gesundheit gefährlich sein kann, wie ein ganzer See ökologisch umkippen kann und mit welchen chemischen Tricks Kläranlagen diese Stoffe wieder aus dem Abwasser entfernen.

Vorwissen

Ionen: Geladene Teilchen, die in Salzen vorkommen. Beispiel: Nitrat-Ionen ( $\text{NO}_3^-$ ) und Phosphat-Ionen ( $\text{PO}_4^{3-}$ ).
Mineraldünger: Salze, die Pflanzen beim Wachsen helfen und sich sehr gut in Wasser lösen. Beispiel: Wenn es regnet, lösen sich diese Salze im Boden auf und können leicht weggespült werden.

Aufgabentyp 1: Gesundheitsgefahren durch Nitratbelastung

Mineraldünger sind für Pflanzen sofort verfügbar, da sie extrem gut wasserlöslich sind. Das Problem: Bei starkem Regen werden diese Salze leicht aus dem Boden gewaschen (Auswaschung) und gelangen so in unser Grundwasser und Trinkwasser.

Wenn wir Nitrat-Ionen ( $\text{NO}_3^-$ ) über das Wasser aufnehmen, können bestimmte Bakterien in unserem Körper diese zu Nitrit-Ionen ( $\text{NO}_2^-$ ) reduzieren. Dieses Nitrit ist aus zwei Gründen sehr gefährlich:

Sauerstoffmangel: Nitrit-Ionen reagieren mit dem Hämoglobin (dem roten Blutfarbstoff) in unserem Blut. Dadurch wird das Hämoglobin blockiert und kann keinen Sauerstoff mehr transportieren. Für Säuglinge ist das lebensgefährlich und wird als Säuglingsblausucht bezeichnet.

Krebsgefahr: Im menschlichen Magen können Nitrite zu sogenannten Nitrosaminen weiterreagieren. Diese Stoffe gelten als stark krebserregend.

Alltagsbezug: Die ökologische Landwirtschaft verzichtet weitgehend auf künstliche Mineraldünger. Dadurch reichern sich in diesen Lebensmitteln und im umgebenden Grundwasser deutlich weniger Nitrat-Ionen an.

Aufgabentyp 2: Eutrophierung und Hypertrophierung von Gewässern

Gewässer werden nach ihrem Nährstoffgehalt eingeteilt: Ein mineralstoffarmer See wird als oligotroph bezeichnet. Ein mineralstoffreicher See ist eutroph und ein extrem überbelasteter See wird hypertroph genannt.

Wenn durch die Landwirtschaft zu viele Phosphate und Nitrate in einen See gespült werden (Überdüngung), startet eine gefährliche Kettenreaktion:

Eutrophierung: Die vielen Nährstoffe wirken wie ein Energy-Drink für Wasserpflanzen und Algen. Es kommt zu einem massiven Pflanzenwachstum.
Sauerstoffverbrauch: Mehr Pflanzen bedeuten auch mehr Tiere und Mikroorganismen, die diese fressen. Alle diese Lebewesen verbrauchen beim Atmen Sauerstoff.
Zersetzung: Wenn die riesigen Mengen an Algen und Tieren sterben, sinken sie auf den Grund. Dort werden sie von Bakterien zersetzt. Diese bakterielle Zersetzung verbraucht den restlichen Sauerstoff im Wasser fast vollständig.
Hypertrophierung (Das „Umkippen“): Ohne Sauerstoff setzt am Grund Fäulnis ein. Dabei entstehen giftige Stoffe wie Schwefelwasserstoff ( $\text{H}_2\text{S}$ ), der nach faulen Eiern riecht. Flora und Fauna sterben ab – das Gewässer ist „umgekippt“ und ökologisch kollabiert.

Aufgabentyp 3: Chemische Nährstoffelimination in der Abwasserreinigung

Da häusliches Abwasser (z. B. aus Waschmitteln oder Fäkalien) große Mengen an Nitraten und Phosphaten enthält, müssen Kläranlagen diese entfernen, bevor das Wasser zurück in die Natur geleitet wird.

Phosphatentfernung (Chemisch): Phosphate werden durch eine chemische Fällungsreaktion entfernt. Man gibt Eisenverbindungen, wie zum Beispiel Eisen(III)-chlorid, in das Wasser. Die Eisen-Ionen verbinden sich mit den Phosphat-Ionen zu schwerlöslichem Eisenphosphat. Dieser Feststoff sinkt als Schlamm zu Boden und kann einfach herausgefiltert werden.

Nitratentfernung (Biologisch): Nitrat-Ionen werden biologisch entfernt. Spezielle Bakterien nutzen das Nitrat anstelle von Sauerstoff zum „Atmen“. Dabei wandeln sie das Nitrat in harmloses Stickstoffgas ( $\text{N}_2$ ) um, welches einfach als Bläschen in die Luft entweicht.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Schritt 1: Ionen identifizieren: Bestimme das positiv geladene Kation (z. B. ein Metall-Ion) und das negativ geladene Anion (z. B. Phosphat), die zusammen einen schwerlöslichen Feststoff bilden.
Schritt 2: Verhältnis ermitteln: Gleiche die Ladungen der Ionen aus, sodass das entstehende Salz elektrisch neutral ist.
Schritt 3: Reaktionsgleichung aufstellen: Schreibe die Ausgangsionen auf die linke Seite und das feste Produkt auf die rechte Seite. Ein Pfeil nach unten ( $\downarrow$ ) hinter dem Produkt zeigt an, dass es als Feststoff ausfällt.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

Im Abwasser einer Kläranlage befinden sich Phosphat-Ionen ( $\text{PO}_4^{3-}$ ). Zur chemischen Fällung wird Eisen(III)-chlorid hinzugegeben, welches Eisen(III)-Ionen ( $\text{Fe}^{3+}$ ) freisetzt. Stelle die Reaktionsgleichung für die Fällung von Eisen(III)-phosphat auf.

Fortschritt

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Schritt 1
Ionen identifizieren
Die beteiligten Ionen sind das Kation $\textcolor{#08BFFF}{\text{Fe}^{3+}}$ und das Anion $\textcolor{#53E5D6}{\text{PO}_4^{3-}}$ .
Schritt 2
Verhältnis ermitteln
Beide Ionen haben die Ladungszahl 3 (einmal dreifach positiv, einmal dreifach negativ). Sie verbinden sich also im einfachen Verhältnis 1:1 zu neutralem Eisen(III)-phosphat ( $\text{FePO}_4$ ).
Schritt 3 · Ergebnis
Reaktionsgleichung aufstellen
Die gelösten Ionen reagieren zu einem schwerlöslichen Feststoff, der ausfällt:

$\textcolor{#08BFFF}{\text{Fe}^{3+}} + \textcolor{#53E5D6}{\text{PO}_4^{3-}} \to \text{FePO}_4 \downarrow$

Reaktionsgleichung Eisenphosphat Fällung

Ergebnis:

Die vollständige Reaktionsgleichung für die Ausfällung von Eisen(III)-phosphat lautet $\textcolor{#08BFFF}{\text{Fe}^{3+}} + \textcolor{#53E5D6}{\text{PO}_4^{3-}} \to \text{FePO}_4 \downarrow$ .

Wichtige Erkenntnisse

Nitrat-Ionen können im Körper zu Nitrit reduziert werden, welches den Sauerstofftransport im Blut blockiert und krebserregende Nitrosamine bilden kann.
Überdüngung führt zu massivem Pflanzenwachstum (Eutrophierung). Der anschließende bakterielle Abbau verbraucht den gesamten Sauerstoff, wodurch das Gewässer „umkippt“ (Hypertrophierung).
In Kläranlagen werden Phosphate chemisch durch Fällung (z. B. mit Eisen-Ionen) und Nitrate biologisch durch Bakterien (Umwandlung zu Stickstoffgas) entfernt.

Umweltauswirkungen von Nitraten und Phosphaten einfach erklärt