Arbeitsblatt: Phosphat ein vielfältiger Stoff

Phosphat – Landwirtschaft und Haushalt Neben den natürlichen (Phosphatmineralien) gibt es zwei zivilisationsbedingte Phosphatquellen, die für den Phosphatgehalt verantwortlich sind: • Landwirtschaft (tierischer Urin, Düngemittel) • Haushalte (menschlicher Urin, Waschmittel). Phosphat ist für das Pflanzenwachstum ein elementarer Stoff. Pflanzen mit Phosphormangel bleiben klein, kümmerlich und zeigen eine ähnlich starre Blätterhaltung wie bei Stickstoffmangel. Weitere typische Merkmale sind schwach ausgebildete Wurzeln, dünne Stengel, graugrüne bis schmutzig-grüne, teilweise rötliche Verfärbung, verzögerte und schwache Entwicklung, mangelnde Frucht- bzw. Kornausbildung. Jungpflanzen haben einen erhöhten Phosphorbedarf. Generell wird heute aber viel zu viel gedüngt: die erzielten Ernteerträge lassen sich kaum noch steigern. Der überschüssige – von den Pflanzen nicht aufgenommene Dünger gelangt ins Wasser und von dort in die Flüsse und Seen. Phosphor ist auch im Haushalt anzutreffen: In Nahrungsmittel, Waschmittel und im Urin ist das Salz ein wichtiger Bestandteil. Heutzutage fallen etwa 3 Gramm Phosphat pro Einwohner und Tag an. Zwei Drittel davon gehen auf Nahrungsmittel zurück, ein Drittel auf Waschmittel. Phosphat in den Gewässern Eutrophierung der Gewässer Wo das Phosphat nicht entfernt wird, kommt es zur berüchtigten Eutrophierung der Gewässer (v.a. Seen und andere stehende oder langsam fliessende Gewässer), d.h. einer Anreicherung mit dem Nährstoff Phosphor. Für viele Algen ist Phosphat ein limitierender Wachstumsfaktor. Es kann zu einem Massenwachstum der Algen kommen („Algenblüte): 1 Phosphat kann etwa 100 Algen stimulieren. Das Wasser wird dadurch so stark getrübt, dass nur in den oberen Schichten genug Licht für die Photosynthese vorhanden ist. Die Algen in den unteren Schichten sterben ab und werden auf dem Seegrund durch Bakterien zersetzt. Bei diesen Zersetzungsprozessen wird sehr viel Sauerstoff verbraucht. Während Bakterien und Pilze auch bei Sauerstoffmangel überleben können, ersticken Fische und andere Wassertiere. Durch die Abbauprozesse der Bakterien werden giftige Nebenprodukte wie Schwefelwasserstoff oder Ammoniak frei, so dass Tiere, die nicht wegen des Sauerstoffmangels bereits erstickt sind, vergiftet werden. Durch das Zersetzen von Tierkadavern werden noch mehr schädliche Substanzen freigesetzt. Der See kippt um. Um dieses Umkippen zu verhindern, müssen die Einträge von Nährstoffen wie Phosphat oder auch Nitrat in die Gewässer also möglichst klein gehalten werden. Zum Schutz der Gewässer Da es nicht abgebaut, sondern nur in die Pflanzensubstanz aufgenommen oder als Sediment auf dem Seegrund abgelagert wird, muss das Phosphat des Abwassers in der Kläranlage vor dem Einleiten in den See so weit als möglich ausgefällt werden. In der so genannten 3. Reinigungsstufe der Kläranlage wird Phosphat chemisch ausgefällt. Dabei werden rund 90% entfernt. Dies geschieht chemisch durch Veränderung des pH-Wertes und Zugabe von Metallionen, die mit Phosphat reagieren. Da die chemische Ausfällung des Phosphates eher teuer ist, kann der Stoff auch biologisch behandelt werden: Es gibt Bakterien welche das Phosphat aufnehmen und speichern. Phosphatkreislauf Es sind zwei Phosphorkreisläufe in der Natur auszumachen: Ein Kreislauf auf dem Land und ein Phosphorkreislauf im Wasser. Diese beiden lokalen Phosphorkreisläufe sind lose miteinander verbunden. Verbindung zwischen Wasser- und Landkreislauf Phosphor aus dem Boden, das von den Pflanzen nicht aufgenommen werden kann, wird durch den Regen ausgewaschen und gelangt ins Wasser. Fische, die vom Menschen, Landtieren oder Vögeln verspeist werden, sorgen dafür, dass Phosphor wenn auch in geringen Mengen aus dem Wasser- in den Landkreislauf übergeht. Phosphat im menschlichen Körper Phosphat ist keinesfalls ein Gift – im Gegenteil: er ist nicht nur für die Flora und Fauna, sondern auch für den Menschen ein essentieller Nährstoff und spielt in Form von Phosphat im Stoffwechsel aller Organismen eine wichtige Rolle. Der menschliche Körper enthält ca. 3.5 kg Calciumphosphat (als Ca3(PO4)2. 80% davon sind im Skelett (Knochen). Phosphat wird deshalb zusammen mit Calcium für die Knochenbildung benötigt. Im Energiestoffwechsel wird Phosphor für die Synthese der Phosphate im Molekül Adenosintriphosphat (ATP) benötigt. ATP ist die Währung der Energie im Körper, also die Form, in der Energie nach dem Stoffwechsel von den Zellen verbraucht werden kann. Weiterhin ist es als Phosphat Bestandteil der DNA und RNA, also der Gene in den Chromosomen. Phospholipide sind zudem ein wichtiger Bestandteil der Zellmembranen. Phosphormangel Phosphormangel kommt heute bei ausgewogener Ernährung kaum noch vor. Bei Kindern wirkt er sich durch verzögertes Wachstum, schlechte Knochen- und Zahnbildung und Rachitis aus. Phosphormangel kann in jedem Alter zu einem Gewichtsverlust führen und Müdigkeit hervorrufen. Auch anormaler Appetit (starkes Verlangen nach phosphorhaltigen Substanzen, die keine Lebensmittel sind, zum Beispiel Kreide, Ton, Kalk) gehört zu den Symptomen. Ein Mangel an Phosphor kann lange Zeit verborgen bleiben, da Phosphor aus den Knochen mobilisiert, also abgebaut wird. Dies zeigten auch Beobachtungen aus den Kriegs- und Nachkriegsjahren. Nach längerer verminderter Zufuhr von Phosphat trat die so genannte Hunger-Knochenerweichung (Rachitis) auf. Phosphorüberdosierung Übermässig hoher Phosphatanteil in der Nahrung kann zu einer gestörten Aufnahme anderer Mineralstoffe und Spurenelemente führen. Besonders häufig ist hierbei ein Kalziummangel. Er wird gelegentlich auch verantwortlich gemacht für die Hyperaktivität bei Kindern. Allerdings dürfte nur etwa bei der Hälfte dieser Fälle eine Phosphat-Überempfindlichkeit der ausschlaggebende Faktor sein. Phosphat in Lebensmitteln Phosphorverbindungen werden häufig Schmelzkäse, Cola-Getränken und Wurstwaren als Hilfsstoffe zugesetzt. Auch in Milch und Milchprodukten, Fleisch und Fisch ist das Salz reichlich anzutreffen. Weiter sind Phosphate unter den Stabilisatoren, Triebmittel und Farbverstärker vertreten in Form von verschiedenen Salzen der E-Stoffe auf (E338 – 341 und E450, E450a, E450c). Der Anteil der Phosphate in den Lebensmitteln hat deshalb im Laufe der letzten 30 Jahre um das 3fache zugenommen. Ein Mangel an Phosphat ist daher eher selten. Coca Cola 1886 mixte sich der amerikanischer Apotheker John Pemberton auf der Suche nach einem Kopfwehmittel ein Gebräu aus Wasser, Zucker, Kola -Nüssen, CocaStrauchblättern und einigen bis heute offiziell geheim gehaltenen (natürlichen) Aromastoffen, das bald als Erfrischungsgetränk seinen Siegeszug um die Welt antrat. 1891 verkaufte er das Rezept für 2300 Dollars an den Geschäftsmann Asa Griggs Candler, der die Coca Cola Company gründete. Es gibt zwar immer wieder Gerüchte über gesundheitsgefährdende Wirkungen von Coke. Vor allem der niedrige pH-Wert (ca. 2.5) gibt immer wieder Anlass zu Bedenken: Cola-Getränke könnten Fleisch zersetzen; ähnlich aggressiv würden Magenwände angegriffen. Verfärbte und gequollene Fleischstücke, die in ColaGetränken gelagert worden waren, werden als Beweis vorgebracht. Dass ähnliche Effekte auch in Mineralwasser (pH-Wert ca. 3.5) beobachtbar sind, weil Fleisch im sauren Milieu grundsätzlich aufgelöst wird, und dass die Magensäure noch viel saurer ist (pH ca. 1.5), wird dabei übersehen. Coca-Cola besteht zu 99% aus Wasser und Zucker. Der rasch resorbierbare Zuckeranteil von 12% (d.h. 120 g/l) ist es auch, der den Cola-Trinker munter macht. Der Coffeingehalt dürfte sich erst bei einem exzessiveren Cola-Konsum bemerkbar machen. Kaffee enthält nämlich dreibis viermal soviel Coffein. Die Orthophosphorsäure (E 338) als Säuerungsmittel für Cola-Getränke geriet, wie die Phosphate generell, vor etlichen Jahren in Verdacht, bei Kindern das hyperkinetische Syndrom (Zappelphilipp) hervorzurufen. Wissenschaftlich bestätigt werden konnte diese Theorie bis heute nicht. Phosphat in Waschmitteln Vor einigen Jahren waren Phosphate fester Bestandteil unserer Waschmittel und haben so die Gewässer stark belastet. Wer kennt sie nicht, die Schaumkronen auf den Flüssen und Bächen: ein Resultat der Salze der Phosphatsäure, sprich: Phosphat. Diese Phosphate tragen zur Überdüngung der Gewässer bei und verstärken dadurch das Pflanzenwachstum, was wiederum zur Folge hat, dass gerade im Sommer ein Sauerstoffmangel in Gewässern entsteht. Dies ist für die Fische z. T. lebensbedrohlich. Phosphate üben in Waschmitteln viele Funktionen aus. Vor allem enthärten sie das Wasser, indem sie Kalziumionen binden. Dadurch verhindern sie, daß der im Wasser enthaltene Kalk sich in den Textilfasern absetzt. Wenn das Wasser hart ist und viel gelösten Kalk enthält, verringert sich seine Fähigkeit, die Seife aufzulösen: Die Waschkraft läßt nach. Ferner stabilisieren Phosphate den pH-Wert und fördern damit die oberflächenaktiven Substanzen des Wassers. Sie halten den aufgelösten Schmutz im Wasser und hindern ihn daran, wieder in die Wäsche einzudringen. Daß man seit einigen Jahren zunehmend phosphatfreie Waschmittel produziert, hängt mit der durch Phosphate verursachten Umweltbelastung zusammen. Denn Phosphate begünstigen das Algenwachstum in Seen und Wasserläufen. Wenn die Algen dann absterben, verringert sich der Sauerstoffgehalt des Wassers. 2000 reichte der Nationalrat Grobet Christian eine Motion ein, in der für Waschmittel ein Phosphatverbot gefordert wurde. Nach einigem Hin und Her führte der Bundesrat das Verbot ein. Bereits nach kurzer Zeit konnte man feststellen, dass sich diese Massnahme positiv auf die Seen in der Schweiz auswirkte. Als Ersatzstoffe verwendet man meist NTA, Zeolith und Zitronensäure. NTA enthärtet das Wasser und besitzt gute Wascheigenschaften, läßt sich aber schwer abbauen und kann im Flußschlamm abgelagerte Schwermetalle wieder lösen. Zeolith enthärtet Wasser und ist ungiftig, besitzt aber keine Wascheigenschaften. Zitronensäure enthärtet das Wasser ebenfalls und ist biologisch abbaubar. Doch auch sie hat keine Wascheigenschaften. Keine dieser Substanzen kann also allein sämtliche Wascheigenschaften der Phosphate ersetzen. Völlig gleichwertige und ungefährliche Ersatzstoffe gibt es bisher nicht. Dies stellt die heutige Waschmittelindustrie immer noch vor grosse Probleme.