P-Konzentrationen in Umweltproben
Dana Zimmer, Karen Baumann
Auch wenn die Gesamtelementkonzentration eines Elements in einer Umweltprobe immer bestimmt werden sollte, ist vielfach nicht die Gesamtkonzentration eines Elements, sondern seine Bioverfügbarkeit oder Bindungsform von Bedeutung. Für die einzelnen Umweltproben existieren daher unterschiedliche nasschemische Extraktionsmethoden, aber auch spektroskopische Methoden für das Element Phosphor.
Eine Übersicht über die P-Bindungsformen im Boden und den Einschränkungen und Schwierigkeiten bei der Bestimmung findet sich bei Cade-Menun und Liu (2013) und wird hier kurz wiedergegeben:
Im Boden liegt P als organisch gebundenes P und anorganisches P vor. Anorganisches P kann in Orthophosphat, Pyrophosphat und Polyphosphate unterteilt werden. Bei den natürlichen pH-Werten im Boden liegen Orthophosphate als H2PO4– oder HPO42− vor. Polyphosphate sind Ketten von Orthophosphaten mit einer Länge von 2 bis zu mehr als 100 Orthophosphatgruppen (Pyrophosphat). Das organische P wird in Orthophosphatmonoester, Orthophosphatdiester und Phosphonate, basierend auf der Bindung von P zu C, unterteilt (s. auch Turner et al. 2005a). Orthophosphatmonoester haben die allgemeine Struktur ROPO32− (wobei R ein organischer Rest ist), mit einem Orthophosphat pro C. Sie beinhalten Zuckerphosphate (z. B. Glucose-6-Phosphat), Mononucleotide und Inositolphosphate. Orthophosphatdiester [R1O(R2O)PO2−, wo R1 und R2 C-Reste sind] haben zwei C pro Orthophosphat. Das schließt Nukleinsäuren, Phospholipide und Lipoteichonsäure ein. Phosphonate unterscheiden sich von anderen organischen P-Formen, weil sie eine direkte C–P-Bindung haben (keine Esterbindung über O). Sie haben die Struktur RP(O)(OH)2 und schließen 2-Aminoethylphosphonsäure (AEP), Antibiotika wie Fosfomycin und Agrochemikalien wie das Herbizid Glyphosat ein. Organische Polyphosphate wie Nicotinamidadenosindinucleotidphosphat (NADP) und Adenosintriphosphat (ATP) enthalten beide Monoester und Polyphosphatgruppen.
Es gibt verschiedene Methoden, um P im Boden zu charakterisieren, z. B. nasschemische, wie die sequentielle Extraktion (z. B. Hedley et al. 1982), und Singel-Extraktionen, die verschiedene P-Bindungsformen unterschiedlicher Bioverfügbarkeit/P-Bindung ansprechen sollen (z. B. DL-Extract, Oxalat-Extrakt), aber auch spektroskopische Methoden, die direkt die P-Bindungsformen bestimmen können (z. B. 31P-NMR). Da die nass-chemischen Methoden wie die sequentielle P-Extraktion operationell definiert sind (s. auch Bacon und Davidson 2008, Rennert 2019), extrahieren bzw. bestimmen sie nicht die wahren Bindungsformen im Boden. Stattdessen basieren die P-Pools auf den Löslichkeiten der P-Verbindungen in den Extraktionsmitteln und es kann durch die Extraktionsmittel auch zu Veränderungen der Bindungsformen kommen (s. auch Bacon und Davidson 2008, Negassa und Leinweber 2009). In der Auswertung der Ergebnisse derartiger Extraktionen, wie z. B. dem Doppellaktat-Extrakt (DL) zur Ermittlung des pflanzenverfügbaren P (zur Abschätzung der notwendigen Düngung), ist als bevorzugt von "DL-extrahierbarem P" statt "pflanzenverfügbarem P" zu sprechen.
Zusätzlich wird, bevorzugt bei sequentiellen Extraktionen wie der Hedley-Fraktionierung, in den Extrakten der kolorimetrisch (z. B. mittels Molbybdänblau) bestimmte P oft als "anorganischer P" (Pi) und die Differenz zum Gesamt-P der Fraktion (z. B. aus ICP-Messung) als "organischer P" (Po) bezeichnet. Diese Bezeichnung ist nicht vollständig richtig, da die kolorimetrische Analyse nicht das gesamte anorganische P misst. Es kann nur der Orthophophat-P-Anteil bestimmt werden, der mit dem Farbreagenz reagieren kann. Komplexe anorganische P-Formen wie Pyrophosphate und Polyphosphate oder kolloidales anorganisches P können nicht mit dem Farbreagenz reagieren und werden dem organischen P zugeordnet, obwohl sie kein C enthalten (siehe auch Condron und Newman 2011). Umgekehrt kann der niedrige pH-Wert des Farbreagenz organischen P und Polyphosphate degradieren und als Orthophosphat freisetzen, welche dann als anorganischer P erscheinen. Daher ist die Bezeichnung Molybdat-reaktives P und nicht-reaktives P die korrektere Bezeichnung (Haygarth und Sharpley 2000, Felgentreu et al. 2018).
Referenzen
Bacon, J.R., Davidson, C.M. (2008) Is there a future for sequential chemical extraction? Analyst, 133, 25–46, DOI: 10.1039/b711896a
Cade-Menun, B. and Liu, C.W. (2013) Solution Phosphorus-31 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy of soils from 2005 to 2013: A review of sample preparation and experimental parameters. Soil Sci. Soc. Am. J. 78, 19–37, DOI: 10.2136/sssaj2013.05.0187dgs
Condron, L.M., Newman, S. (2011) Revisiting the fundamentals of phosphorus fractionation of sediments and soils. J Soils Sediments 11, 830–840, DOI: 10.1007/s11368-011-0363-2
Felgentreu, L., Nausch, G., Bitschowsky, F., Nausch, M., Schulz-Bull, D. (2018) Colorimetric chemical differentiation and detection of phosphorus in eutrophic and high particulate waters: advantages of a new monitoring approach. Frontiers in Marine Science 5, article 212, DOI: 10.3389/fmars.2018.00212
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Hedley, M.J., Stewart, J.W.B., Chauhan, B.S. (1982) Changes in inorganic and organic soil phosphorus fractions by cultivation practices and by laboratory incubations. Soil Sci. Soc. Am. J. 46, 970-976, DOI: 10.2136/sssaj1982.03615995004600050017x
Negassa, W., and Leinweber, P. (2009) How does the Hedley sequential phosphorus fractionation reflect impacts of land use and management on soil phosphorus: A review. J. Plant Nutr. Soil Sci. 172: 305–325, DOI: 10.1002/jpln.200800223
Rennert, T. (2019) Wet-chemical extractions to characterise pedogenic Al and Fe species – a critical review. Soil Res 57, 1–16, DOI: 10.1071/SR18299
Turner, B.L., Cade-Menun, B.J., Condron, L.M., Newman, S. (2005a) Extraction of soil organic phosphorus. Talanta 66: 294–306, DOI: 10.1016/j.talanta.2004.11.012
For citation: Zimmer D, Baumann K (year of download) Kapitel 1.1.1 P-Bindungsformen in Böden (Version 1.0) in Zimmer D, Baumann K, Berthold M, Schumann R: Handbuch zur Auswahl der Aufschluss- und Bestimmungsverfahren für Gesamtphosphor in Umweltproben. DOI: 10.12754/misc-2018-0001
Karen Baumann, Dana Zimmer, Rhena Schumann
In der Natur kommt Phosphor (P) fast ausschließlich in Apatitmineralen (Ca5[(F,Cl,OH)(PO4)3]) vor, welche abhängig von ihrer Entstehungsgeschichte einen Gesamtphosphor-Gehalt (TP) von 2 bis 16 % haben (Gwosdz 2006 zitiert in Killiches 2013, Tabelle 1.1.). Die Apatite können marin-sedimentär, magmatisch oder durch Guanoablagerung entstanden sein (Killiches 2013).
Das marine Sedimentgestein Phosphorit (engl. rock phosphate) besteht aus einem Gemenge an Apatit und organischen Komponenten. Es kommt als Knollen, Krusten und Konkretionen in marinen Tonen vor (Richter 1992) und enthält mehr P als magmatische Gesteine (Killiches 2013). Es entsteht durch biologische Prozesse (z. B. als Anreicherung von P aus tierischen Exkrementen/Knochen) oder chemische Prozesse (z. B. als Ausfällung aus Meerwasser). Das P-reiche marine Sedimentgestein wird durch geologische Prozesse an die Erdoberfläche gehoben (Filippelli 2011), wo es zumeist im Tagebau abgebaut wird. An der Erdoberfläche bildet sich Phosphorit, wenn Phosphorsäure aus Seevogel-Exkrementen mit darunter lagerndem Kalkstein reagiert (Hintze 1933). Dieser Phosphorit wird auch als "Guano" (Quechua: Dünger) bezeichnet. Das feinkörnige Gemenge besteht aus verschiedenen Phosphaten, u.a. Apatiten, Kalkstein und organischen Verbindungen. Phosphorite enthalten 10 bis 20 % TP (Filippelli et al. 2011).
Im magmatischen Gestein (z. B. Graniten) kommen die Apatit-Minerale als Mikrolithe, mikroskopische Einschlüsse oder Kristalle in den Hauptgemengeteilen Feldspat, Quarz und Glimmer vor und/oder befinden sich in Drusenräumen der Granite, wo sie durch Absatz aus wässriger Lösung entstehen (Roth 1883). Die Apatit-Konzentrationen in diesem Gestein liegen aber unter < 1 % (= akzessorischen Gesteinsanteile) (Fiedler 2001).
Apatite können auch durch Biomineralisation, z. B. im Boden, als Zahnbelag, in Knochen oder in Korallenskeletten entstehen. Dazu werden Apatitkristalle wohlgeordnet in geschaffenen Reaktionsräumen abgelagert (Mann & Ozin 1996). P-Konzentrationen einiger Produkte befinden sich in den jeweiligen Kapiteln. Chemisch kann Hydroxylapatit z. B. aus CaCl2 und Na2HPO4 in NaOH synthetisiert werden (Tiselius et al. 1956). Hochreines Hydroxyapatit wird als chromatografisches Trennmaterial für Biopolymere oder auch als Knochenersatzmaterial verwendet (Tiselius et al. 1956, Damien & Parsons 1991).
P-Konzentrationen in mineralischen Rohphosphaten werden in der Geologie und Mineralogie nach Säureaufschluss (z. B. Aydin et al. 2009) oder mittels Röntgenfluoreszenzanalyse (z. B. Fabbi 1971) bestimmt.
| Matrix | Konzentration (% P) |
Bemerkung | Quelle | |
| Apatit- Minerale |
Allgemeine Mineral- formel: Ca5[(F,Cl,OH)(PO4)3 |
2-16 | abhängig von der Entstehung |
Killiches (2013) |
| Phosphorit | marines Sedimentgestein |
10-20 | charakteris- tisch: Carbo- nat-Fluor- Apatit |
Fillippelli et al. (2011) |
| Guano (Vogelex- kremente auf Kalkstein) |
Carbonat- Fluor-Apatit |
Schenker (2012), Hintze (1933) |
||
| magmati- sches Gestein |
in Graniten: häufig als Einschluss in anderen Mineralen |
< 1 | charakteris- tisch: Fluor- Apatit |
Roth (1983), Fiedler (2001) |
Referenzen
Aydin I, Imamoglu S, Aydin F, Saydut A, Hamamci C (2009) Determination of mineral phosphate species in sedimentary phosphate rock in Mardin, SE Anatolia, Turkey by sequential extraction. Microchem J: 63-69, DOI: 10.1016/j.microc.2008.08.001
Damien CJ, Parsons JR (1991) Bone graft and bone graft substitutes: Areview of current technology and applications. J Appl Biomaterials 2: 187-208, DOI: 10.1002/jab.770020307
Fabbi BP (1971) Rapid X-Ray fluorescence determination of phosphorus in geologic samples. Appl Spectrosc 25: 41-43, DOI: 10.1366/000370271774371137
Fiedler HJ (2001) Böden und Bodenfunktionen. In Ökosystemen, Landschaften und Ballungsgebieten. Expert-Verlag, Renningen
Filippelli GM (2011) Phosphate rock formation and marine phosphorus geochemistry: The deep time perspective. Chemosphere 84: 759-766, DOI: 10.1016/j.chemosphere.2011.02.019
Hintze C (1933) Handbuch der Mineralogie. Borate, Aluminate und Ferrate. Phosphate, Arseniate, Antimoniate, Vanadate, Niobate und Tantalate. Band 1, Abteilung 4 Hälfte 1. Walter de Gruyter & Co-Verlag, Berlin
Killiches F (2013) Phosphat: Mineralischer Rohstoff und unverzichtbarer Nährstoff für die Ernährungssicherheit weltweit. Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) im Auftrag des Bundesministeriums für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (BMZ)
Mann S, Ozin GA (1996) Synthesis of inorganic materials with complex form. Nature 382: 313-318, DOI: 10.1038/382313a0
Richter D (1992) Allgemeine Geologie. de Gruyter Verlag Berlin, New York. 4. erweiterte Auflage
Roth JLA (1883) Allgemeine und chemische Geologie. Band 2, Wilhelm Hertz Verlag, Berlin
Schenker F (2012) Phosphor und Phosphate. In: Rohstoffe der Erde. Skript ETHZ http://www.sgtk.ch/rkuendig/dokumente/Skript_RdE_2012_Seiten_51-73.pdf
Tiselius A, Hjertén S, Levin Ö (1956) Protein Chromatography on Calcium Phosphate Columns. Arch Biochem Biophys 65: 132-155, DOI: 10.1016/0003-9861(56)90183-7
For citation: Baumann K, Zimmer D, Schumann R (year of download) Kapitel 1.2 Konzentrationen in mineralischen Rohphosphaten (Version 1.0) in Zimmer D, Baumann K, Berthold M, Schumann R: Handbuch zur Auswahl der Aufschluss- und Bestimmungsverfahren für Gesamtphosphor in Umweltproben. DOI: 10.12754/misc-2018-0001
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Karen Baumann, Dana Zimmer, Simone Tränckner, Rhena Schumann
Abwässer stellen Wässer dar, die bereits genutzt wurden (z. B. im Haushalt, in der Industrie) und damit eine erhöhte P-Fracht aufweisen können. Bei der Abwasseraufbereitung stellt der Phosphor im Ablauf einer Kläranlage einen wesentlichen Güteparameter dar.
Prozesswässer sind Wässer, die für bestimmte, meist industrielle Zwecke gebraucht werden und an die bestimmte Anforderungen, auch z. B. hinsichtlich ihres P-Gehalt, oft auch hinsichtlich des Kalkgehalt, der Leitfähigkeit, des pH-Werts, gestellt werden. Die gewünschte Wasserqualität wird dabei durch Elimination oder Zusatz von bestimmten P-haltigen Substanzen erreicht.
Derzeit wird in Deutschland die einwohnerspezifische P-Fracht in kommunalem Abwasser mit 1,8 g TP pro Einwohner und Tag (ATV-DVWKA 198) angenommen. Industrielle Abwässer sind branchenspezifisch. Donnert und Salecker (1999) ermittelten beispielsweise 159 mg TP l-1 im Abwasser einer Stärkefabrik und 5 bis 100 mg TP l-1 im Abwasser einer Autofabrik. Entsprechend der verschiedenen Kanalsysteme (Mischkanalisation mit Regenwasser, Trennkanalisation) ergeben sich damit unterschiedliche Phosphorgehalte in Schmutzwässern (Tabelle 1.5-1).
Für geklärte Abwässer bestehen Mindestanforderungen an die P-Konzentrationen bei Abwassereinleitung in Gewässer, die die Abwasserverordnung (AbwV 31.03.1997) in Deutschland regelt. Für kommunales Abwasser ist ab einer Kläranlagen-Größenklasse (GKL) 4 (ca. 10.000 Einwohnergleichwerte) eine TP-Konzentration von 2 mg l-1 im Ablauf (Wasser nach Klärung) einzuhalten, ab GKL 5 (ca. 100.000 Einwohnergleichwerten) 1 mg TP l-1. Auch betriebliche Abwässer unterliegen behördlichen Anforderungen hinsichtlich ihrer Einleitung in die Umwelt. Branchenspezifische Mindestanforderungen sind in den Anhängen der AbwV enthalten. Gewässerspezifisch können weitergehende Anforderungen durch die zuständigen Behörden formuliert werden.
P kann aus Abwässern biologisch und/oder chemisch entfernt werden. Grundsätzlich nehmen Mikroorganismen beim Abbau organischer Kohlenstoffverbindungen auch P für ihren Zellaufbau und Stoffwechsel aus dem Abwasser auf und bauen Biomasse auf. Auf diese Weise wird P biologisch aus dem Klärwasser in den Klärschlamm verlagert, der dann je nach Gesamtzusammensetzung noch als organischer Dünger oder im Landschaftsbau genutzt werden kann oder aber einer thermischen Verwertung zugeführt wird. Tränckner et al. (2016) geben eine biologische Eliminationsleistung für P von 47 % bezogen auf den Zulaufwert an. Durch spezielle Verfahrensführung (anaerobe, aerobe Zyklen) kann die biologische P-Elimination auf das Doppelte gesteigert werden (Cramer et al. 2018). Da der P-Rückhalt bei biologischen Verfahren oftmals aber nicht mit einem ausreichend hohen Wirkungsgrad oder ausreichender Prozessstabilität betrieben werden kann, wird meist ergänzend P durch Einsatz von Metallsalzen gefällt (SEG 2014). Beispiele zu TP-Konzentrationen in Abwässern und ihren Klärprodukten sind der Tabelle 1.5-1 zu entnehmen.
| Beispiel | Typ | TP (mg l-1 für Wasser, mg kg-1 für Schlamm und Asche) |
Quelle |
| alle Kläranlagen in Deutschland |
vor Klärung | 0,9 – 12,4 | DWA- Leistungsver- gleich 2016 |
| nach Klärung | 0,41 – 0,84 | ||
| alle Kläranlagen in Baden-Württemberg |
vor Klärung | 5,9 | MUV-BM (2003) |
| nach Klärung | 1,7 | ||
| nach Klärung mit Phosphat- fällung |
0,7 | ||
| Klärschlamm (2006) | 24,5 | UBA (2013) | |
| Asche | aus Haushalts- abwässern |
40-130 | Regenerierstation Stuttgart |
Die P-Konzentration in Klärschlämmen ist insbesondere von der P-Konzentration im zu klärenden Abwasser abhängig und damit von dessen Ursprung (Stadt-/Industriegebiet). Außerdem wird sie von der Effektivität der biologischen und chemischen Prozesse während des Aufbereitungsprozesses beeinflusst.
An Wasser werden erhöhte Anforderungen hinsichtlich der Wasserqualität gestellt, wenn es in industriellen Anlagen (z. B. Kraftwerken), zur industriellen Herstellung von Produkten (z. B. Medikamenten) oder im Labor (chemische Analytik) verwendet wird. Dabei wird die Eliminierung von P durch den Einsatz verschiedener Verfahren, wie z. B. der Umkehr-Osmose oder dem Ionentausch-Verfahren, erreicht. Qualitätsunterschiede zwischen diesen verschiedenen Prozesswassern werden über die Leitfähigkeit des jeweiligen Wassers definiert (Tabelle 1.5-2) und auch mithilfe von Blindwerzielkarten für die Analytkonzentrationen (TP oder Phosphat) überprüft (Kapitel 6.3).
Andererseits können P-haltige Chemikalien auch dem Wasser zugesetzt werden, um beispielsweise die Korrosion von Rohrleitungen zu minimieren. Orthophosphate besitzen dabei Korrosionsschutzwirkung gegenüber Eisenwerkstoffen, wie Gusseisen, Stahl und verzinktem Stahl, sowie Kupferwerkstoffen und Blei (Zitate in Schmidt 2009). Die Ausfällung von Kalk (Calcit) in Rohrleitungen wird durch Polyphosphat zeitlich verzögert (Schmidt 2009). Sofern die P-haltigen Chemikalien dem Trinkwasser zugesetzt werden, müssen sie in §11 der Trinkwasserverordnung 2001 aufgeführt sein und dürfen die dort genannten maximalen Zugabekonzentrationen nicht überschreiten (Polyphosphate <2,2 mg P l-1 UBA 2017) (Tabelle 1.5-2). Weitere industrielle Anwendungen P-haltiger Reagenzien sind die biologische Nitratentfernung, die Hemmung von Membranverblockung und natürlich als Puffer zur pH-Einstellung (UBA 2012).
| Matrix | Leitfähigkeit | Quelle |
| destilliertes Wasser | 0,5-5 | Regenierstation Stuttgart |
| Prozesswasser in Kraftwerken |
<0,2 | |
| Reinstwasser zur Analyse | <0,055 | |
| P-Zusatz zu Trinkwasser (K2HPO4, KH2PO4, K4(PO4)2, K3PO4 Na2H2PO4, NaH2PO4, Na2HPO4, Na4(PO4)2, Na3PO4, Kaliumtripolyphosphat, Natriumpolyphosphat, Natriumtripolyphophat, H3PO4, Phosphonsäure) |
Trinkwasserverordnung 2001, UBA 2012 |
1 Oder 2,2 mg l-1 als Grenzwert für die Zugabe in Trinkwässer gegen Korrosion laut "Liste der Aufbereitungsstoffe und Desinfektionsverfahren gemäß § 11 der TrinkwV (19. Änderung)" (UBA 2017)
Referenzen
AbwV (2017) Verordnung über Anforderungen an das Einleiten von Abwasser in Gewässer (Abwasserverordnung - AbwV); Abwasserverordnung in der Fassung der Bekanntmachung vom 17. Juni 2004 (BGBl. I S. 1108, 2625), die zuletzt durch Artikel 1 der Verordnung vom 17. April 2024 (BGBl. 2024 I Nr. 132) geändert worden ist
ATV-DVWK-A 198 (April 2003). Vereinheitlichung und Herleitung von Bemessungswerten für Abwasseranlagen. ATV-DWK Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. ISBN: 3-924063-48-6
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Donnert D, Salecker M (1999) Elimination of phosphorus from waste water by crystallization. Environmental Technology 20: 735-742, DOI: 10.1080/09593332008616868
DWA-Leistungsvergleich 2016: 29. Leistungsvergleich kommunaler Kläranlagen. 6 S. Letzter Zugriff: 16.09.2024
MUV-BW Ministerium für Umwelt und Verkehr Baden-Württemberg (2003) Studie zum Phosphorrecycling aus kommunalem Abwasser in Baden-Bürttemberg – Möglichkeiten und Grenzen. Schlussbericht, 81 S. Letzter Zugriff: 16.09.2024
Regenerierstation Stuttgart. (https://www.reg-station.de/GLOSSAR-1-9.htm). Letzter Zugriff: 16.09.2024
Schmidt T (2009) Mineralstoffdosierung in Trinkwasserinstallationen - Schutz vor Kalk und Korrosion. SBZ 14: 18-22. Letzter Zugriff: 16.09.2024
SEG-Stadtentwässerung Göppingen (2014) Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm -Machbarkeitsstudie-
Tränckner J, Koegst T, Cramer M, Gießler M, Richter BM, Müther F (2016) Phosphor-Elimination in Kläranlagen bis 10.000 Einwohnerwerte in Mecklenburg-Vorpommern. Universität Rostock, Wasserwirtschaft, Abschlussbericht.
Trinkwasserverordnung – TrinkwV 2023. Verordnung über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch. Letzter Zugriff: 16.09.2024
UBA Umweltbundesamt (2012) Bekanntmachung der Liste der Aufbereitungsstoffe und Desinfektionsverfahren gemäß §11 der Trinkwasserverordnung -17. Änderung- (Stand: November 2012).
UBA Umweltbundesamt (2013) Sewage sludge management in Germany. 100 S. Letzter Zugriff: 16.09.2024
For citation: Baumann K, Zimmer D, Tränckner S, Schumann R (year of download) Kapitel 1.5 Ab- und Prozesswässer (Version 1.1) in Zimmer D, Baumann K, Berthold M, Schumann R: Handbuch zur Auswahl der Aufschluss- und Bestimmungsverfahren für Gesamtphosphor in Umweltproben. DOI: 10.12754/misc-2018-0001
Karen Baumann, Dana Zimmer, Rhena Schumann
Die P-Konzentration in Böden hängt insbesondere vom Ausgangsgestein, aus dem sich die Böden entwickelt haben, und der Zeit, die für die Entwicklung zur Verfügung stand, ab. Zudem wird die Bodenentwicklung durch das Relief (z. B. Position am Hang), das Wasserregime (z. B. Grundwasserstand) sowie durch trockene und nasse P-Depositionen beeinflusst. Innerhalb eines Bodenprofils, kann es durch standorttypische bodengenetische Prozesse (z. B. Podsolierung) und folgende Horizontdifferenzierung zu starken Unterschieden in den P-Konzentrationen zwischen den einzelnen Bodenhorizonten kommen. Einen weiteren Einfluss haben die Vegetation (z. B. Laub-/Nadelwald) und die anthropogene Art der Nutzung (z. B. Acker/Grünland) und die Bewirtschaftungsform (z. B. Plaggenwirtschaft).
Bei Mineralböden ist der Einfluss des Ausgangsgesteins auf die P-Konzentration besonders deutlich. Während z. B. in Braunerden aus Basalt relativ hohe P-Konzentrationen zu finden sind, sind Braunerden aus pleistozän glaziofluviatilen Sanden P-arm (Werner et al. 2016, Tabelle 1.6-1).
Das Relief und die dadurch beeinflusste Bodengenese, können Unterschiede im TP-Gehalt von Böden bedingen. Insbesondere durch Wassererosion wird Nährstoff- und damit P-reiches Oberbodenmaterial hangabwärts transportiert und akkumuliert in den Senken. Dies kann mit der Zeit stärkere Konzentrationsunterschiede bewirken.
Innerhalb eines Bodenprofils können auch die unterschiedlichen Bodenhorizonte erheblich in ihren TP-Konzentrationen variieren. Bodenhorizonte sind "Bodenschichten", die sich in erster Linie visuell unterscheiden lassen und sich bezüglich spezieller Eigenschaften wie z. B. Korngrößenverteilung, Humusgehalt, Stoffauswaschungs- oder –anreicherungsprozessen oder auch der Wasserdynamik unterscheiden (Abbildung 1.6.-1). Dies kann sich auf die TP-Konzentration auswirken. Durch den Vorgang der Podsolierung werden Al- und Fe-(hydr)oxide und der daran sorbierte Phosphor aus dem A-Horizont in tiefere Horizonte (Bh, Bs) ausgewaschen, welches zu niedrigen TP-Konzentrationen im Ae und erhöhten TP-Konzentrationen im Bh führt. So wurden beispielsweise in einem Auswaschungshorizont (Ae) eines Podsols unter Fichte 10-mal weniger TP im Vergleich zum darauffolgenden Anreicherungshorizont (Bh) nachgewiesen (Leinweber & Ahl 2013, Tabelle 1.6-2). Durch jahrzehnte- oder jahrhundertelanges Aufbringen von nährstoffreichen Plaggen (mit Tierexkrementen angereichertes Bodenmaterial) weisen die E-Horizonte in Plaggeneschen wesentliche höhere TP-Konzentrationen als das ursprüngliche nährstoffarme Ausgangmaterial.
Lang andauernder Wasserüberschuss im Boden führt zur Bildung von Torfen und damit Mooren (Succow & Jeschke 1986). Dabei hemmen anaerobe Bedingungen den Abbau von OBS und führen zu OBS-Konzentrationen von > 30 %. Während Hochmoore nur durch relativ nährstoffarmes Niederschlagswasser gespeist werden, sind Niedermoore vom Grundwasser und/oder durchströmenden Wasser beeinflusst. Letztere können daher, in Abhängigkeit von den P-Konzentrationen im Wasser, erheblich höhere P-Konzentrationen aufweisen als Hochmoore (Tabelle 1.6-1). Da die OBS-Konzentrationen die Dichte eines Bodens erheblich beeinflussen können, kann dies auch einen erheblichen Einfluss auf die TP-Konzentration haben (bis 41000 mg TP kg-1, Tabelle 1.6-1). Bei Böden mit hohem OBS-Konzentrationen, wie z. B. Moorböden sollten, aufgrund der geringen Dichte durch die OBS, die TP-Konzentration, zusätzlich auf die Probendichte (mg cm-3) oder -fläche (mg cm-2) anstatt nur auf die Masse (mg kg-1) bezogen werden.
Zudem können durch anthropogene Nutzung eines Bodens die TP-Konzentrationen im Boden erheblich verändert werden (Tabelle 1.6-1). So weisen Ackerböden durch Düngung höhere P-Konzentrationen auf, als vergleichbare Waldböden. Die TP-Konzentrationen im Boden unter Grünland hängen davon ab, ob es sich um Mineralbodengrünland oder Grünland auf beispielsweise Niedermoorstandorten handelt. Außerdem beeinflusst die Nutzungsintensität (Düngung/Beweidung/Mähfrequenz) die TP-Konzentration.
| Böden | Horizont | abhängig von | TP (mg kg Trocken- masse-1) |
Quelle |
| Braunerde aus Basalt1 |
Ah | Ausgangsgestein | 2080 | Werner et al. (2016), |
| Braunerde aus glazio-fluviatilen Sanden2 |
60 | Prietzel et al. (2016) |
||
| Pseudogley- Braunerde aus Sand über Ge- schiebemergel3 |
190 | Leinweber & Ahl (2013) |
||
| Parabraunerde in oberer Hanglage4 |
Ap | Relief (Lage am Hang) |
652-992 | Heilmann et al. (2005) |
| Gley in unterer Hanglage4 |
Ah/p | 521-1020 | ||
| Humuspodsol5 | Ah | Horizont | 180 | Leinweber & Ahl (2013) |
| Ae | 14 | |||
| Bh | 140 | |||
| IIBh | 68 | |||
| elCv | 79 | |||
| Plaggenesche6,7 | E | 713-1412 | Hubbe et al. (2007) |
|
| Ae | 124-387 | |||
| E | 1631-2924 | Schnepel et al. (2014) |
||
| C | 1060-1748 | |||
| Hochmoor8 | 0-5 cm | Wasserregime | 400 | Keller et al. (2006) |
| Erdniedermoor9 | 750 | |||
| Erniedermoor- Mulmnieder- moor10 |
nHw | 40795 | Leinweber & Ahl (2013) |
|
| Acker11 | Ap | Nutzung | 500-3500 | Leinweber et al. (1994) |
| Wald12 | Ah | 163-843 | Alt et al. (2011) |
|
| Grünland12 (mineralisch) |
460-1422 | |||
| Grünland13 (Erdniedermoor) |
nHw | 2900-3800 | Leinweber & Ahl (2013) |
1 Bad Brückenau (Bayern)
2 Lüß (Lüneburger Heide in Niedersachsen)
3 Gespensterwald bei Nienhagen (Landkreis Rostock, M-V, S. 86 ff.)
4 Schäfertal nahe Quedlinburg (Sachsen-Anhalt), Ausgangsgestein: Löss
5 Ribnitzer Stadtforest (Landkreis Vorpommern-Rügen, M-V, S.71 ff.), Fichte, Ausgangsgestein: Sand
6 Umgebung von Arkhangelsk (europäisches Nord-Russland), Ausgangsgestein: schluffige Sande glazialer Sedimente
7 Jæren (Südschweden), Ausgangsgestein: glazialer Sedimente
8 Gogebic County (Michigan, USA), regenwassergespeist, ungenutzt, Vegetation: Torfmoose, holzige Ericaceen
9 Gogebic County (Michigan, USA), ungenutzt, Vegetation: Reitgräser, Seggen, Weiden
10 Durchströmungsmoor im Trebeltal (Vorpommern-Rügen, M-V, S. 61 ff.), hoher Grundwasserstand, Grünland, Vegetation: Binsen
11 Umgebung Vechta, Quakenbrücker Becken, Bakumer Geest (Landkreise Vechta und Cloppenburg, Niedersachsen), Bodentypen/Ausgangsgestein: (Para)Braunerde, Pseudogley, Plaggenesch, Gley aus Sand sowie Sandlössböden, inkl. Äcker mit Sonderkulturen oder hohem Viehbesatz
12 Biodiversitätsexploratorien Schorfheide-Corin (Brandenburg), Hainich-Dün (Thüringen), Schwäbische Alb (Baden-Württemberg)
13 Niedermoor bei Warnow (Landkreis Rostock, M-V, S. 92 ff.), Mähwiese
In der Bodenanalytik wird die Streuauflage, wie sie z. B. im Wald zu finden ist, gesondert vom mineralischen Feinboden (<2 mm) untersucht. Je nach Zusammensetzung der Streuauflage (abhängig von der Vegetation) können die TP-Konzentrationen zwischen 47 und 5100 mg kg-1 liegen (Tabelle 1.6-2). Die Streuauflage wird in der Analytik, aufgrund der hohen Konzentration an OBS, nicht wie ein Mineralboden, sondern wie Torfe oder anderes pflanzliches Material behandelt.
| Vegetation | Bodentyp |
TP |
Quelle |
| Kiefer | Pararendzina14 | 47 | Leinweber & Ahl (2013) |
| Eisenpodsol15 | 440 | ||
| Fichte | Humuspodsol15 | 130 | Leinweber & Ahl (2013) |
| Braunerde, Parabraunerde, Rendzina, Pseudo- gley16 |
790-950 | Taubert (2015) | |
| Buche | Fahlerde- Pseudogley17 |
5100 | Leinweber & Ahl (2013) |
| Braunerde, Parabraunerde, Rendzina, Pseudogley16 |
730-760 | Taubert (2015) | |
| Buche/Eiche | Pseudogley- Braunerde18 |
1800 | Leinweber & Ahl (2013) |
14 ehemalige Kiesabbauflächen bei Neukloster/Perniek (Landkreis Nordwestmecklenburg, S. 86 ff.), Ausgangsgestein: Sanderkies
15 Ribnitzer Stadtforest (Landkreis Vorpommern-Rügen, S. 71 ff.), Ausgangsgestein: Sand
16 Biodiversitätsexploratorien Hainich, Schwäbische Alb (Thüringen, Baden-Württemberg)
17 Buchenwald bei Züsow (Landkreis Nordwestmecklenburg, S. 86 ff.), Ausgangsgestein: Lehmsand über Geschiebemergel
18 Gespensterwald bei Nienhagen (Landkreis Rostock, S. 86 ff.), Ausgangsgestein: Sand über Geschiebemergel
Referenzen
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Karen Baumann, Dana Zimmer, Rhena Schumann
In Abhängigkeit ihres Lebensraums ist der mittlere TP-Gehalt für Landpflanzen mit 2 g kg-1 und für Wasserpflanzen mit 6 g kg-1 angegeben (Lerch 1990) (Tabelle 1.8-1). Das kann auf die erhöhte Trockenmasse von Landpflanzen (mehr Stützgewebe aus Cellulose und Lignin) gegenüber Wasserpflanzen zurückgeführt werden (Duchesne & Larson 1989). Die Konzentrationen sind außerdem von äußeren Faktoren, wie beispielsweise der P-Verfügbarkeit im Boden, abhängig. Sind die Bedingungen günstig, wird von der Sonnenblume 2,5 mal mehr P (bis zu 7,2 mmol TP m-2) Blatt aufgenommen als bei halb so hoher P-Verfügbarkeit (2,0 mmol TP m-2, Jacob & Lowlor 1991). Der TP-Gehalt hängt von pflanzenspezifischen Faktoren (z. B. Pflanzenart, Genotyp) ab und ist innerhalb der Pflanze organspezifisch. So wurde beispielsweise in der Rotbuche eine mehr als doppelt so hohe TP-Konzentration in Feinwurzeln als in Holz, Rinde und Zweigen gemessen (Lerch 1990). Auch das Pflanzenalter sowie die Jahreszeit haben einen Einfluss auf den TP-Gehalt, da in unterschiedlichen Entwicklungsstadien unterschiedlich viel P für das Wachstum benötigt wird (Wang et al. 2015, Saunders & Metson 1971).
| Arten bzw. Gruppen |
Gewebe | Einflussfaktor | TP (g kg Trockenmasse-1) |
Quelle |
| Landpflanzen | Lebensraum und Organisationsgrad (Anteil des Stützgewebes) | 0,5-8 | Lerch (1991) | |
| Wasserpflanzen | 6 | Lerch (1991) | ||
| Fichte (Pinus sylvestris) |
Blätter | artspezifisch, bei normaler Versorgung |
1,3-1,9 | Mellert & Göttlein (2012) |
| Tanne (Picea abies) |
1,5-2,2 | |||
| Buche (Fagus sylvatica) |
1,2-1,9 | |||
| Eiche (Quercus robus, Q. petrea) |
1,4-2,1 | |||
| Rotbuche (F. sylvatica) |
Feinwurzeln | unterschiedliche Gewebe | 2,2 | Lerch (1991) |
| Reifholz | 0,9 | |||
| Rinde | 0,9 | |||
| Zweige | 0,9 | |||
| Blätter | 1,3 |
Wie bei Pflanzen ist auch die TP-Konzentration in Tieren von der Ernährung, der Spezies, dem Gewebe und dem Alter/dem Entwicklungsstadium des Tieres abhängig. Da bei Wirbeltieren und damit auch bei vielen Nutztieren insbesondere das Ca:P-Verhältnis bei der Ernährung eine wichtige Rolle spielt, zeigen Untersuchungen v. a. die P-Verfügbarkeit/-Verwertbarkeit in Abhängigkeit der Ca-Konzentration im Futter (z. B. Song et al. 2017). P-Absorption kann dabei durch Ca-Zugabe gehemmt werden, wenn sich schwer lösliche Ca-Phosphate bilden, die nicht aufgenommen werden können (Nakamura 1982). Auf der anderen Seite können hohe P-Konzentrationen in der Nahrung dazu führen, dass Ca nicht ausreichend in die Knochen eingelagert wird (Masuyama et al. 2003). Song et al. (2017) zeigten zudem, dass die Aktivität von Phosphatasen im Blutserum ein entscheidender Faktor bei der Mineralisation von Knochen und Einlagerung von Ca und P in Schuppen sein kann. Bei Fischen können die Schuppen einen Ca- und P-Speicher darstellen, der für Ca- und P-eine Homöostasis sorgt (Song et al. 2017, vgl. auch Tabelle 1.8-3).
Auch die Lebensweise (Herbivor/Carnivor) sowie die Futterverfügbarkeit in Abhängigkeit von den Jahreszeiten (und damit den Futterquellen) hat einen großen Einfluss auf den TP-Gehalt im Tierkörper (Ghaddar & Saoud 2012). Diese Autoren berichteten beispielsweise, dass Geißbrassen-Muskelfleisch, höchste P-Gehalte im April aufwies, während sie im Juni am geringsten waren (vgl. auch Tabelle 1.8-2). Dieser Zusammenhang kann genutzt werden, indem bestimmte Tiere zu bestimmten Jahreszeiten zur P-armen menschlichen Ernährung verwendet werden (z. B. bei einigen Nierenkrankheiten notwendig). Der TP-Gehalt variiert aber vor allem mit der Tierart (Tabelle 1.8-2). Zudem haben unterschiedliche Gewebe (Blut, Serum, Muskeln) unterschiedliche TP-Gehalte.
| Arten bzw. Gruppen |
Gewebe | Einflussfaktor | TP in Gewebe (g kg Trocken- masse-1) |
TP im Serum (g l-1) |
Quelle |
| Koralle (Lophelia pertusa) |
Körper | rezent | 0,016 | Mason et al. (2011) |
|
| fossil | 0,123 | ||||
| Kaninchen- fisch (Siganus rivulatus) |
Fleisch | herbivor | 8,95 | Ghaddar & Saoud (2012) |
|
| Geißbrasse (Diplodus sargus) |
carnivor | 11,32 | |||
| Fasan (Phasianus colchicus) |
Brust- muskel |
artspezi- fisch |
10,16 | Straková et al. (2011) |
|
| Hähnchen | 9,25 | ||||
| Katze | Muskel | 10,5 | Cuthbertson (1925) |
||
| Schwein | Muskel | 6,03 | Jastrzębska et al. (2010) |
||
| Merino- Landschaf |
Muskel, Alter |
Masse: 18 kg | 8,09 | Bellof et al. (2006) |
|
| 55 kg | 6,17 | ||||
| Mensch | Muskel | 1,56 | Forbes et al. (1953) |
||
| Japanischer Barsch (Lateolabrax japonicus) |
Serum | 31 g Ca kg Futter-1 |
0,43 | Song et al. (2012) |
|
| 4,2 g Ca kg Futter-1 |
0,31 | ||||
| Mensch | Blut | 0,36 - 0,43 |
Kay & Byrom (1927) |
Beim Menschen z. B. sind hohe TP-Gehalte insbesondere in den Zähnen und in den Knochen eingebaut. Nach Koolmann & Röhm (1998) hat der Mensch durchschnittlich einen TP-Gehalt von 10 g kg-1 Körpergewicht und einen P-Bedarf von 0,8 g d-1. Während bei Wirbeltieren hohe TP-Konzentrationen insbesondere im Endoskelett zu finden sind, sind bei Muscheln, Schnecken und Korallen hohe, aber sehr unterschiedliche TP-Konzentrationen im Exoskelett lokalisiert (Tabelle 1.8-3). Auch die Wachstumsphase ist für den TP-Gehalt von Tieren entscheidend, wobei z. B. bei Lämmern des Deutschen Merino-Landschafes im frühen Entwicklungsstadium höhere TP-Konzentrationen nachgewiesen wurden als mit zunehmendem Alter (Bellof et al. 2006). Zurückzuführen ist dieses auf die Abnahme des Wassergehaltes auch im Knochengewebes im Laufe des Wachstums, was zu einem erhöhten Trockenmassegehalt der Knochen beim alten Tier führt (Bellof et al. 2006).
| Arten bzw. Gruppen |
Stütz- gewebe |
Einfluss- faktor |
TP (g kg Trocken- masse-1) |
Quelle |
| Auster (Ostreidae) |
Schale | 0,9 | Yoon et al. (2003) |
|
| Schnecken (Archachatina, Achatina spp.) |
Gehäuse | 10-69 | Ademolu et al. (2016) |
|
| Japanischer Barsch (Lateolabrax japonicus) |
Wirbel | 31 g Ca kg Futter-1 |
125 | Song et al. (2012) |
| Schuppe | 74 | |||
| Wirbel | 4,2 g Ca kg Futter-1 |
138 | ||
| Schuppe | 87 | |||
| Mensch | Zähne | 125-137 | Hennequin et al. (1994) |
|
| trockene, fettfreie Knochen |
9,2-10 | Zipkin et al. (1960) |
||
| Knochen- asche |
171-175 |
Referenzen
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Karen Baumann, Dana Zimmer, Rhena Schumann
Unter hohem Druck, hohen Temperaturen und Luftabschluss entstehen aus organischem Material durch den geochemischen Prozess der Inkohlung Kohlen. Die vor Jahrmillionen in Mooren als Torf angesammelte Biomasse wurde nach Überdeckung mit Sedimenten zur Braunkohle (v. a. Tertiär) bzw. Steinkohle (v. a. Karbon/Perm). Die Art der Kohle wird dabei nach ihrem C-Gehalt der asche- und wasserfreien Trockenmasse definiert (65-75 % Braunkohle, 75-91 % Steinkohle) (Kölling & Schnur 1977 zitiert in Franck & Knop 1979). Auch der P-Gehalt ist für manche Verwendungen wichtig. So muss in der Stahlproduktion der P-Gehalt möglichst gering sein (da Silva Machado et al. 2010).
Biokohlen sind Kohlen aus rezenten Biomassen, die mittels Pyrolyse zu Kohlen umgesetzt wurden. In Abhängigkeit der Ausgangsbiomasse unterscheidet man Holzkohlen, Knochenkohlen und Gärrestekohlen. Im Vergleich zu Knochenkohlen enthalten Holzkohlen nur wenig P (Tabelle 1.9-1). Der TP-Gehalt aller Kohlen variiert mit ihrem Ausgangsmaterial und der P-Gehalt steigt mit zunehmender Pyrolyse-Temperatur (Titiladunayo et al. 2012, Funke et al. 2013). Geflügel, dessen Knochen hinsichtlich einer geringen Masse optimiert sind, enthalten etwas weniger P. Die Knochenreinheit hat auch Einfluss auf den P-Gehalt (z. B. Zwetsloot et al. 2015).
| Typ | Herkunft | Pyro- lyse- tem- peratur (°C) |
TP (mg kg Trocken- masse-1) |
Quelle |
| Braunkohle | Brasilien | 0,218 | da Silva Machado et al. (2010) |
|
| außerhalb von Brasilien |
5,633-7,161 | |||
| Steinkohle | Australien | 0,02-5,87 | Riley et al. (1990) | |
| 0,321 | ||||
| Holzkohle | Iroko-Holz | 400 | 0,070 | Titiladunayo et al. (2012) |
| Apa-Holz | 400 | 0,031 | ||
| 500 | 0,042 | |||
| 600 | 0,051 | |||
| 700 | 0,058 | |||
| 800 | 0,062 | |||
| Knochen- kohle |
Rind | 400 | 134 | Warren et al. (2009) |
| Geflügel | 350 | 83 | Zwetsloot et al. (2015) |
|
| Knochen mit Fleischresten |
60-750 | 33-110 | ||
| gereinigte Knochen |
86-153 | |||
| Gärreste- kohle |
aschefreies Weizenstroh |
190-250 | 1-2 | Funke et al. (2013) |
Referenzen
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Karen Baumann, Dana Zimmer, Rhena Schumann
Durch die Ernte von Pflanzenteilen werden dem Boden irreversibel Nährstoffe entzogen. Bei einer durchschnittlichen Weizenernte von 8 t ha-1 werden dem Boden rund 37 kg P, 124 kg K und 180 kg N entnommen (LFL 2006 zitiert in Killiches 2013). Durch Einsatz von Düngemitteln soll dieser Nährstoffverlust ausgeglichen und die Bodenfruchtbarkeit erhalten, wenn nicht sogar gesteigert werden.
Zu den organischen Wirtschaftsdüngern zählen insbesondere Jauche (1-3 % Festsubstanz, Schubert 2011), Gülle (> 3 % Festsubstanz), Mist, Kompost, Gärreste aus Biogasanlagen und Klärschlamm. Deren Nährstoffgehalte und damit auch die TP-Konzentrationen variieren stark und sind bei Jauche, Gülle und Mist insbesondere von der Tierart (unterschiedliche Verdauungssysteme, z. B. Wiederkäuer/keine Wiederkäuer und damit unterschiedliche Effizienz bei der Nahrungsverwertung), ihrer Ernährung, sogar vom jeweiligen Stall (Sharpley & Moyer 2000) oder auch der Verarbeitung der Nahrung sowie dem Wassergehalt abhängig (Tabelle 1.10-1). Der TP-Gehalt in Mist ist zudem von der Art der Einstreu (verschiedene Pflanzen/Holzspäne) beeinflusst. Bei Kompost sind insbesondere das Ausgangsmaterial und der Zeitpunkt im Rotteprozess für den TP-Gehalt maßgeblich. Der Kompost-Rottegrad beschreibt die biologische Stabilität (Reife) des Komposts (Rottegrad I = Kompostrohstoff, II-III = Frischkompost, IV-V = Fertigkomost). Eine erhöhte TP-Konzentration bei höheren Rottegraden dürfte auf die Massenabnahme nicht P-haltiger Substanzen (z. B. Verlust flüchtiger Stoffe, CO2-Veratmung) und dadurch Aufkonzentration des TP-Gehaltes während der Rotte zurückzuführen sein. Beim Klärschlamm ist neben dem Ausgangsmaterial (zu klärendes Abwasser) auch die Schlammart (Schlamm in Abhängigkeit vom Zeitpunkt im Klärungsprozess) für den TP-Gehalt des Düngers entscheidend. Eine Übersicht zur P-Ausbeute in verschiedenen Schlammarten (Zeitpunkten im Klärungsprozess) durch unterschiedliche Verfahren findet sich bei Kabbe et al. (2015).
| Matrix | Herkunft | Trocken- masse- anteil (%) |
TP (g l-1) |
TP (g kg Trocken- masse-1) |
Quelle |
| Jauche | Rind | 0 | Landwirdschafts- kammer Schleswig- Holstein |
||
| Schwein | 0,4 | ||||
| Gülle | Milchkuh | 8 | 7,6 | Vadas (2006) | |
| 30 | 1,5-7,8 | Verma & Penfold (2017) |
|||
| Rind | < 9,5 | 7,4-8,9 | Sharpley & Moyer (2000) |
||
| Schwein | 6,3 | 47,4 | Vadas (2006) | ||
| 11 | 22,9-39,3 | Verma & Penfold (2017) |
|||
| Geflügel | 38 | 19,5-36,1 | |||
| Mist | Milchkuh | 39 | 8,4-19,9 | Sharpley & Moyer (2000) |
|
| Geflügel | 70 | 6,4-12,2 | |||
| Kompost | Holzschnitzel | 0,2 | Verma & Penfold (2017) |
||
| Gartenab- fälle |
2,4 | ||||
| Rottegrad III (40-50 °C)1 |
1,2-1,6 | Scherer (2004) | |||
| Rottegrad V (20-30°C) |
2,7-2,9 | ||||
| Gärreste | Mittelwert aus Europa |
5,7 | 16,6 | Wilken et al. (2013) |
|
| flüssige Phase |
5,7 | 0,6 | Wendland & Lichti (2012) |
||
| feste Phase |
24,3 | 2,2 | |||
| Klärschlamm | 2001-2006 | 22,0-27,3 | UBA (2013) |
1 Garten- und Küchenabfälle (20/80%) aus NRW
Mineralische Dünger werden aus Rohphosphaten hergestellt (Kapitel 1.2). Dabei wird entweder das zermahlene Bergbauprodukt direkt verwendet oder der P-Gehalt durch industriell-chemische Verfahren gesteigert, wobei gleichzeitig meist eine Erhöhung des wasserlöslichen und damit pflanzenverfügbaren Phosphats vorgenommen wird (Killiches 2013). Die Mineraldünger haben eine homogenere Zusammensetzung als die organischen Dünger, da hier keine biologischen Prozesse wie beispielsweise der Nahrungsverdau bestimmter Nutztiere involviert ist.
Zur Herstellung von P-Dünger wird Rohphosphat mit Schwefelsäure versetzt. Es entstehen Phosphorsäure und Gips. Die Phosphorsäure wird entweder in der Lebensmittel- oder Getränkeindustrie verwendet oder zu P-Düngern weiter verarbeitet. Je nach Reaktionspartner, Mischung und Reaktion mit anderen Komponenten entstehen verschiedene P-Dünger, wie Diammonphosphat (DAP), Ammonphosphat (MAP) oder Triple-Superphosphat (Tabelle 1.10-2).
Zur Herstellung von Superphosphaten wird unlösliches Calciumphosphat mit Hilfe von Schwefelsäure zu ca. 40 % wasserlöslichem Calciumdihydrogenphosphat und ca. 60 % wasserunlöslichem Calciumphosphat umgesetzt. Letzteres reagiert bei der Herstellung von Doppel-Superphosphat durch Phosphorsäure zu Calciumdihydrogenphosphat. Bei der Herstellung von Triple-Superphosphat wird zur eben beschriebenen Reaktion nur sehr reine Phosphorsäure verwendet und damit die P-Konzentration des Düngers erhöht. Die Summenformel für Doppel- und Triple Superphosphat ist daher dieselbe, allerdings ist der TP-Gehalt des Gesamtproduktes Triple Superphosphat je nach Reinheitsgrad mit 200 g TP kg-1 Trockenmasse-1 gegenüber dem von Doppel-Superphosphat (150 g kg-1 Trockenmasse-1) erhöht.
Thomasphosphat entsteht als Nebenprodukt bei der Stahlerzeugung aus phosphathaltigem Roheisen. Da die Stahlindustrie allerdings inzwischen fast ausschließlich phosphatarme Erze verarbeitet, ist das Thomasphosphat praktisch vom Markt verschwunden (Dittrich und Klose 2008). Struvit kann aus Abwasser durch Zugabe von MgO2 gewonnen werden (vgl. Kapitel 1.5).Der TP-Gehalt von Mineraldüngern wird im Handel zumeist als Prozent P2O5 angegeben. Dieses lässt sich folgendermaßen in TP-Konzentrationen (g kg-1 Trockenmasse-1) umrechnen:
Die Molmassen von P und O sind 30,97 und 15,999 g mol-1. Das bedeutet, dass die Molmasse von P2O5 = (2 x 30,97) + (5 x 15,999) = 141,94 g mol-1. P2O5 besteht aus 2 P Atomen (2 x 30,97 = 91,94 g mol-1). Daher muss 141,94 g mol-1 durch 61,94 g mol-1 geteilt werden, um den Faktor für die Umrechnung von P in P2O5 zu erhalten: 2,29.
Der reziproke Faktor für die Umrechnung von P2O5 in P ist dann: 0,44. Es ist zu beachten, dass beide Werte (P2O5 und P) dieselbe Einheit haben müssen. Im ersten Fall werden die Werte in % angegeben, der Faktor für die Umrechnung von % in g kg-1 ist 10: mit 10 multiplizieren (% in g kg-1) and andersherum durch 10 teilen (g kg-1 in %).
Daher ist der Umrechnungsfaktor von:
P2O5 in % zu TP in g kg-1: 4,4
TP in g kg-1 zu P2O5 in %: 0,23
| Akronym | Summeformel | Anteil an P2O5 (% = g kg-1) |
TP g kg-1 |
Quelle |
| Rohphosphat | Ca5(F,Cl,OH) (PO4)3 |
27-28 | 119-123 | HELM-AG (Chemie- Marketing- unternehmen) |
| 5-372 | 22-163 | |||
| Diammon- phosphat |
(NH4)2HPO4 | 42 | 185 | |
| Mono- Ammonium- phosphat |
NH4H2PO4 | 48 | 211 | |
| Super- phosphat |
Ca(H2PO4)2 + 2 CaSO4·H2O |
18-22 | 79-88 | |
| Doppel-Super- phosphat |
Ca(H2PO4)2· H2O |
35 | 154 | Wikipedia zu Doppelsuper- phosphat |
| Triple-Super- phosphat |
Ca(H2PO4)2· H2O |
43-46 | 189-202 | HELM-AG (Chemie- Marketing- unternehmen) |
| Stickstoff- phosphat |
20-46 | 88-202 | ||
| 7-202 | 31-88 | Raiffeisen.com | ||
| Thomas- phosphat |
Ca3(PO4)2 · (Ca2SiO4) |
15 | 66 | Wikipedia zu Thomasphos- phat |
| Thomas- phosphat-Kali |
7-14 | 31-63 | raiffeisen.com, gartendialog.de |
|
| NPK- Volldünger |
6-26 | 26-114 | HELM-AG (Chemie- Marketing- unternehmen) |
|
| Struvit | (NH4)Mg(PO4)· 6H2O |
23 | 101 | BWB: Berliner Pflanze |
2 wasserlöslich
Referenzen
Berliner Wasserbetriebe (BWB). (http://www.bwb.de/content/language1/html/6946.php), letzter Zugriff 24.08.2017
Dittrich B, Klose R (2008) Schwermetalle in Düngemitteln. In: Schriftenreihe der Sächsischen Landesanstalt für Landwirtschaft 3: 2008
gartendialog.de, letzter Zugriff 24.08.2017
helmag.com, letzter Zugriff 24.08.2017
Killiches F (2013) Phosphat: Mineralischer Rohstoff und unverzichtbarer Nährstoff für die Ernährungssicherheit weltweit. Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) im Auftrag des Bundesministeriums für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (BMZ)
Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein (LKSH). Nährstoffgehalte organischer Dünger, letzter Zugriff 25.08.2017
raiffeisen.com, letzter Zugriff 24.08.2017
Scherer HW (2004) Influence of compost application on growht and phosphorus exploitation of ryegrass (Lolium perenne L.). Plant Soil Environ 50: 518-524, DOI: 10.17221/4068-PSE
Schubert S (2011) Pflanzenernährung, Grundwissen Bachelor. 2. Aufl., UTB, 224 S., ISBN: 9783825235888
Sharpley A, Moyer B (2000) Phosphorus forms in manure and compost and their release during simulated rainfall. J Environ Qual 29: 1462-1470, DOI: 10.2134/jeq2000.00472425002900060056x
UBA Umweltbundesamt (2013) Sewage sludge management in Germany. 100 S., letzter Zugriff 17.08.2017
Verma SL, Penfold C (2017) Composts vary in their effect on soil P pools and P uptake by wheat. Comm Soil Sci Plant Anal 48: 459-468, DOI: 10.1080/00103624.2017.1282507
Vadas P (2006) Distribution of phosphorus in manure slurry and its infiltration after application to soils. J Environ Qual 35: 542-547, DOI: 10.2134/jeq2005.0214
Wendland M, Lichti F (2012) Biogasgärrreste, Einsatz von Gärresten aus der Biogasproduktion als Düngemittel. Biogas Forum, Bayrische Landesanstalt für Landwirtschaft, letzter Zugriff 25.08.2017
Wilken D, Kirchmeyer F, Zotz F (2013) Digestate and REACH. Position Paper. Fachverband Biogas / EBA / BiPRO.
For citation: Baumann K, Zimmer D, Schumann R (year of download) Kapitel 1.10 Düngemittel (Version 1.0) in Zimmer D, Baumann K, Berthold M, Schumann R: Handbuch zur Auswahl der Aufschluss- und Bestimmungsverfahren für Gesamtphosphor in Umweltproben. DOI: 10.12754/misc-2018-0001
Zuletzt aktualisiert am: 09.04.2025