Waarom N₂ onbruikbaar is
Elk organisme heeft stikstof nodig: het zit in elk aminozuur (en dus in elk eiwit en enzym), in de basen van DNA en RNA, in ATP en in chlorofyl. Een mens bestaat voor ongeveer 3 % van zijn massa uit stikstof. Toch leven we in een atmosfeer die voor 78 % uit stikstof bestaat en kunnen we er niets mee.
De reden is chemisch. In N₂ zijn de twee atomen verbonden door een drievoudige binding van ongeveer 945 kJ/mol, een van de sterkste bindingen die er bestaan (zie chemische bindingen). Om stikstof bruikbaar te maken moet die binding worden verbroken en moet N worden omgezet in reactieve stikstof: ammoniak (NH₃), ammonium (NH₄⁺), nitraat (NO₃⁻), nitriet (NO₂⁻) of stikstofoxiden (NOₓ). Dat kan maar langs drie wegen: bacteriën, bliksem en industrie.
Anders dan bij de koolstofcyclus, waar planten CO₂ rechtstreeks uit de lucht opnemen via fotosynthese, zijn bij stikstof bijna alle omzettingsstappen in handen van gespecialiseerde micro-organismen. Planten en dieren doen alleen de opname en het inbouwen.
Stap 1: stikstofbinding (fixatie)
Biologische stikstofbinding
Alleen bepaalde bacteriën en archaea bezitten het enzym nitrogenase, dat N₂ omzet in ammoniak:
- nitrogenase
- enzym dat alleen werkt zonder zuurstof — O₂ vernietigt het
- 16 ATP
- energiekosten per molecuul N₂: stikstofbinding is erg duur
De bekendste stikstofbinders zijn Rhizobium-bacteriën, die in wortelknolletjes van vlinderbloemigen leven: klaver, erwt, boon, lupine, luzerne en soja. Het is een symbiose: de plant levert suikers uit fotosynthese, de bacterie levert ammonium. De plant maakt bovendien leghemoglobine, een eiwit dat zuurstof wegvangt zodat nitrogenase kan werken; het geeft een doorgesneden actief knolletje een roze kleur. Andere stikstofbinders zijn vrijlevende bodembacteriën (Azotobacter), cyanobacteriën in water en in rijstvelden, en de bacterie Frankia in wortelknollen van de els.
Daarom zaaien boeren al eeuwen klaver of lupine als 'groenbemester': na het onderploegen komt de gebonden stikstof beschikbaar voor het volgende gewas.
Bliksem
In een bliksemkanaal loopt de temperatuur op tot rond 30 000 K. Daar reageren N₂ en O₂ tot stikstofmonoxide: N₂ + O₂ → 2 NO. Dat oxideert verder tot NO₂ en uiteindelijk tot salpeterzuur, dat met regen als nitraat in de bodem komt. Wereldwijd levert bliksem naar schatting maar ongeveer 5 miljoen ton stikstof per jaar: een kleine bijdrage.
Het Haber-Boschproces
In 1909 lukte het de Duitse chemicus Fritz Haber om ammoniak te maken uit stikstof en waterstof; Carl Bosch (BASF) schaalde het op tot een fabriek die in 1913 in bedrijf ging:
Het is een evenwichtsreactie (zie chemisch evenwicht): hoge druk verschuift het evenwicht naar NH₃, en een katalysator maakt de reactie snel genoeg. Uit deze ammoniak wordt kunstmest gemaakt. Naar schatting eet ongeveer de helft van de wereldbevolking voedsel dat met Haber-Boschstikstof is gekweekt. Het proces gebruikt ongeveer 1 à 2 % van alle energie ter wereld, vooral in de vorm van aardgas voor de waterstofproductie.
| Bron | Mt N/jaar | Natuurlijk of menselijk |
|---|---|---|
| Biologische binding in de oceaan | ≈ 140 | natuurlijk |
| Haber-Bosch (kunstmest, industrie) | ≈ 120 | menselijk |
| Biologische binding in landbouw (peulvruchten) | ≈ 60 | menselijk |
| Biologische binding op land (natuur) | ≈ 60 | natuurlijk |
| Verbranding (NOₓ uit motoren, centrales) | ≈ 30 | menselijk |
| Bliksem | ≈ 5 | natuurlijk |
De mens zet inmiddels dus ruim drie keer zoveel N₂ om in reactieve stikstof als alle natuurlijke processen op land samen. Daarmee is de stikstofkringloop sterker door de mens veranderd dan de koolstofkringloop.
Stap 2: assimilatie en ammonificatie
Planten nemen stikstof via hun wortels op als nitraat (NO₃⁻) of ammonium (NH₄⁺) en bouwen het in tot aminozuren en nucleotiden: assimilatie. Dieren krijgen hun stikstof via de voedselketen, als eiwit in hun voedsel.
Wanneer organismen sterven of stikstofhoudend afval uitscheiden (ureum in urine, urinezuur in vogelmest), breken schimmels en bacteriën (reducenten) de organische stikstof af tot ammoniak of ammonium. Dat heet ammonificatie of mineralisatie. Een belangrijk voorbeeld is de afbraak van ureum door het enzym urease:
Dit gebeurt ook in een stal, waar urine en mest op de vloer mengen: bacteriën in de mest leveren het urease en er ontsnapt ammoniakgas. Daarom richten veel emissiearme stalvloeren zich op het snel scheiden van urine en mest.
Stap 3: nitrificatie
In een zuurstofrijke bodem wordt ammonium door twee groepen bacteriën in twee stappen omgezet in nitraat:
2 NO₂⁻ + O₂ → 2 NO₃⁻ (o.a. Nitrobacter)
Deze bacteriën zijn chemoautotroof: ze halen hun energie niet uit licht of uit suikers, maar uit het oxideren van ammonium of nitriet, en bouwen hun lichaamsstoffen op uit CO₂. Nitrificatie vraagt zuurstof; in een drassige, zuurstofarme bodem stopt ze. Het is ook een redoxreactie: het oxidatiegetal van N stijgt van −3 in NH₄⁺ via +3 in NO₂⁻ naar +5 in NO₃⁻.
Rekenvoorbeeld 1: klopt de vergelijking, en waarom verzuurt de bodem?
Controleer de eerste stap. Links: 2 N, 8 H, 6 O, lading 2 × (+1) = +2. Rechts: 2 N; H: 4 + 2 × 2 = 8; O: 2 × 2 + 2 × 1 = 6; lading 2 × (−1) + 4 × (+1) = +2. Alles klopt. De vergelijking laat ook zien dat per ammoniumion twee H⁺-ionen vrijkomen. Nitrificatie verzuurt dus de bodem: de pH daalt. Dat is één van de mechanismen waarmee stikstofdepositie natuur beschadigt.
Stap 4: denitrificatie en anammox
In zuurstofarme bodems, slib en grondwater gebruiken bacteriën zoals Pseudomonas en Paracoccus nitraat in plaats van zuurstof om hun voedsel te 'verbranden'. Het nitraat wordt stap voor stap gereduceerd:
Deze denitrificatie sluit de kringloop: de stikstof keert als N₂ terug naar de atmosfeer. Verloopt het proces onvolledig, dan ontsnapt lachgas (N₂O). Dat is een krachtig broeikasgas: over 100 jaar gerekend circa 273 keer zo sterk als CO₂ per kilogram (zie klimaatverandering).
Een tweede route, anammox (anaerobe ammoniumoxidatie), zet ammonium en nitriet rechtstreeks om in stikstofgas: NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + 2 H₂O. Deze bacteriën werden in de jaren negentig ontdekt in een zuiveringsinstallatie in Delft. Inmiddels wordt anammox in rioolwaterzuiveringen gebruikt om stikstof met veel minder energie uit afvalwater te verwijderen dan met klassieke nitrificatie plus denitrificatie.
Overzicht van de kringloop
| Stap | Omzetting | Wie | Voorwaarde |
|---|---|---|---|
| Stikstofbinding | N₂ → NH₃ / NH₄⁺ | Rhizobium, Azotobacter, cyanobacteriën; ook bliksem en Haber-Bosch | nitrogenase, zuurstofvrij |
| Assimilatie | NO₃⁻ / NH₄⁺ → aminozuren, DNA | planten, algen; dieren via voedsel | — |
| Ammonificatie | organische N → NH₃ / NH₄⁺ | reducenten: bacteriën, schimmels | dood materiaal, mest |
| Nitrificatie | NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ | Nitrosomonas, Nitrobacter | zuurstof nodig |
| Denitrificatie | NO₃⁻ → N₂ (+ N₂O) | Pseudomonas, Paracoccus | zuurstofarm |
| Anammox | NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ | anammoxbacteriën | zuurstofarm |
Stikstofdepositie in Nederland
Het woord 'stikstof' in het nieuws verwijst naar de depositie van reactieve stikstof: de hoeveelheid die uit de lucht op bodem en vegetatie neerslaat, uitgedrukt in mol stikstof per hectare per jaar. Er zijn twee hoofdbronnen:
- Ammoniak (NH₃) komt vooral uit de landbouw: mest en urine in stallen, bij opslag en bij het uitrijden op het land. Volgens RIVM- en CBS-cijfers komt ruim 80 % van de Nederlandse ammoniakuitstoot uit de landbouw. Ammoniak slaat relatief dicht bij de bron neer, vaak binnen enkele kilometers tot tientallen kilometers.
- Stikstofoxiden (NOₓ) ontstaan bij verbranding bij hoge temperatuur: verkeer, scheepvaart, industrie en energiecentrales. NOₓ wordt eerst in de lucht omgezet en kan honderden kilometers ver reizen.
Het RIVM berekent dat de Nederlandse landbouw de grootste afzonderlijke bron van depositie in Nederland is; een aanzienlijk deel (ordegrootte een derde) komt uit het buitenland, en verkeer, industrie en huishoudens leveren elk een kleiner deel. Omgekeerd waait ook veel Nederlandse NOₓ naar het buitenland.
Wat doet te veel stikstof met natuur?
Veel Nederlandse natuurtypen, zoals heide, hoogveen, duinen en schraallanden, zijn juist ontstaan op voedselarme grond. De soorten die daar leven zijn aangepast aan weinig stikstof. Extra stikstof werkt op drie manieren:
- Vermesting: snelgroeiende soorten zoals pijpenstrootje, bochtige smele en brandnetel profiteren en overwoekeren langzame specialisten zoals dopheide en veenmossen. Heide 'vergrast'.
- Verzuring: nitrificatie levert H⁺ (zie rekenvoorbeeld 1). In een zure bodem spoelen calcium en magnesium uit en komt giftig aluminium vrij. Onderzoek in Nederlandse bossen koppelt calciumgebrek aan dunnere eierschalen en botproblemen bij zangvogels zoals de koolmees.
- Verlies van biodiversiteit: wanneer planten verdwijnen, verdwijnen ook de insecten die ervan afhankelijk zijn, en daarmee de vogels die die insecten eten.
Voor elk natuurtype is een kritische depositiewaarde (KDW) vastgesteld: de depositie waarboven het risico bestaat dat het habitat achteruitgaat. Veel van de ruim 160 Nederlandse Natura 2000-gebieden, beschermd onder de Europese Vogel- en Habitatrichtlijn, krijgen meer stikstof dan hun KDW. Daarom moet voor nieuwe activiteiten die stikstof uitstoten worden aangetoond dat ze deze gebieden niet verder schaden. Nadat de Raad van State in mei 2019 de toenmalige regeling hiervoor (het PAS) ongeldig verklaarde, kwamen veel vergunningen stil te liggen; daaruit ontstond de term 'stikstofcrisis'.
Rekenvoorbeeld 2: van mol naar kilogram
De KDW van actief hoogveen is 500 mol N/ha/jaar; die van droge heide 1071 mol N/ha/jaar. Eén mol stikstofatomen weegt 14 g. Dus:
- hoogveen: 500 × 14 g = 7 000 g = 7 kg N per hectare per jaar;
- droge heide: 1071 × 14 g ≈ 15 000 g = 15 kg N per hectare per jaar.
Ter vergelijking: een grasland in de landbouw krijgt vaak honderden kilo's stikstof per hectare per jaar via mest en kunstmest. De hoeveelheden die voor hoogveen al te veel zijn, zijn dus heel klein — enkele grammen per vierkante meter per jaar (7 kg/ha = 0,7 g/m²). Rekenen met de mol oefen je bij rekenen met de mol.
Veelgestelde vragen
Wat zijn de stappen van de stikstofkringloop?
Stikstofbinding (N₂ wordt ammonium), assimilatie (planten bouwen N in eiwitten en DNA), ammonificatie (reducenten maken van dood materiaal weer ammonium), nitrificatie (ammonium wordt nitraat) en denitrificatie (nitraat wordt weer N₂-gas).
Waarom kunnen planten de stikstof uit de lucht niet gebruiken?
N₂ heeft een zeer sterke drievoudige binding. Alleen bacteriën met het enzym nitrogenase kunnen die verbreken. Vlinderbloemigen zoals klaver en erwt krijgen via Rhizobium-bacteriën in hun wortelknolletjes wel toegang tot luchtstikstof.
Wat is het verschil tussen nitrificatie en denitrificatie?
Nitrificatie zet ammonium via nitriet om in nitraat en heeft zuurstof nodig (Nitrosomonas, Nitrobacter). Denitrificatie zet nitraat om in N₂-gas en gebeurt juist in zuurstofarme omstandigheden.
Waar komt de stikstofdepositie in Nederland vandaan?
De grootste bron is ammoniak uit de landbouw (mest en urine). Daarnaast komen stikstofoxiden uit verkeer, industrie en scheepvaart, en een flink deel van de depositie waait uit het buitenland aan.
Waarom is te veel stikstof slecht voor de natuur?
Extra stikstof bevoordeelt snelgroeiende soorten zoals grassen en brandnetels, die gespecialiseerde soorten van voedselarme grond verdringen. Daarnaast verzuurt de bodem. Beide leiden tot verlies van biodiversiteit, vooral in heide, hoogveen en duinen.
Wat is een kritische depositiewaarde?
De hoeveelheid stikstofdepositie (in mol N per hectare per jaar) waarboven een natuurtype risico loopt achteruit te gaan. Voor actief hoogveen is dat 500 mol, ongeveer 7 kg stikstof per hectare per jaar.