Geen producten in je winkelmand.

01 april 2020
normaal verdiepend
10 minuten

‘Stikken in de stikstof’

De auteurs

Het is slechts weinig elementen van het periodiek systeem gegeven om tot een crisis te leiden. Eind jaren 1970 leidden tekorten op de wereldmarkt tot een mondiale zilvercrisis. Bij de stikstofcrisis van nu is er juist sprake van een teveel.

De naam ‘stikstof’ roept onprettige associaties op. Inderdaad, als de lucht uitsluitend uit stikstof zou bestaan, zouden we stikken. Omdat het in werkelijkheid 78 procent is, kunnen we rustig blijven doorademen. Maar in overdrachtelijke zin kunnen we wel degelijk stellen dat we stikken in de stikstof.

De Nederlandse stikstofcrisis ontstond vorig jaar, toen de vergunningsaanvragen van zo’n 18.000 bouw- en infrastructuurprojecten werden stilgelegd. Voor het terugdringen van de stikstofdepositie in natuurgebieden had de overheid in 2015 het Programma Aanpak Stikstof (PAS) geïntroduceerd. Op 29 mei 2019 oordeelde de Raad van State dat het PAS niet mag worden gebruikt voor het verlenen van vergunningen die extra neerslag van stikstofverbindingen in natuurgebieden veroorzaken. Het directe gevolg was dat er geen bouwvergunningen meer werden verleend. Nederland ging grotendeels op slot.

Aanwaaien

Milieuproblemen door te veel stikstof in bodem en water spelen in de hele wereld, maar in Nederland wel heel sterk. Hier worden bodem en water belast door een zeer hoge toediening van stikstofverbindingen in de landbouw, vooral via dierlijke mest, maar ook via kunstmest. Andere bronnen zijn het verkeer, huishoudens en de industrie. Daarnaast komen er stikstofverbindingen aanwaaien vanuit het buitenland.

Menselijke activiteiten waarbij stikstofverbindingen in grote hoeveelheden vrijkomen, schaden ecosystemen op land en in het water. Ze kunnen leiden tot vermindering van de biodiversiteit. Al eind jaren tachtig werden maatregelen genomen om de emissies terug te dringen. Dat leidde tussen 1990 en 2000 tot een forse reductie. Maar in 2004 rapporteerde het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu dat verdergaande emissiereducties noodzakelijk waren om gevoelige ecosystemen in stand te houden. Er moest dus meer gebeuren. Dat is niet goed gelukt, en na 2015 namen de emissies zelfs weer toe.

Moleculaire Knex

Laten we vooropstellen dat stikstof voor al het leven op aarde onontbeerlijk is. Het is een bouwsteen van zowel aminozuren en eiwitten als de erfelijke informatiedragers DNA en RNA. Het speelt ook een grote rol bij de uitwisseling van elektronen en energie in deze moleculen. Zonder stikstof zouden allerlei functies niet werken.

De natuur heeft gezorgd voor een fascinerende moleculaire Knex-bouwdoos waarin de elementen waterstof (H), koolstof (C), stikstof (N) en zuurstof (O) de boventoon voeren. Deze elementen nemen de eerste, zesde, zevende en achtste plaats in het periodiek systeem in.

Om te begrijpen waarom juist deze vier elementen ertoe doen, is enige sterrenkundige basiskennis onmisbaar. Letterlijk alles waarvan we zijn gemaakt, was oorspronkelijk sterrenstof. Kort na de oerknal, 13,8 miljard jaar geleden, ontstond uit elementaire deeltjes het oerelement waterstof. In de miljarden jaren daarna werden en worden sterren geboren doordat materie onder invloed van de zwaartekracht verdicht en samenklontert.

Kernfusie

Wordt door de samenklontering de druk hoog genoeg, dan kan waterstof fuseren tot helium (He), het op een na lichtste element. Bij de kernfusie van vier waterstofkernen tot één heliumkern – bestaande uit vier kerndeeltjes – komt straling vrij: zonnestraling!

Sterren bestaan dus voor het overgrote deel uit waterstof en helium, de twee lichtste elementen in de natuur. Vandaar ook dat in het heelal deze twee elementen veruit het meest voorkomen.

Ook helium kan weer fuseren: uit drie kernen ontstaat koolstof, met twaalf kerndeeltjes, wat vervolgens met nog een heliumkern kan fuseren tot zuurstof, met zestien kerndeeltjes. Ook kan, via een ander ingewikkelder mechanisme, uit koolstof stikstof worden gemaakt, die veertien kerndeeltjes bevat. De basiselementen van onze moleculaire Knex-bouwdoos komen zo ruimschoots beschikbaar.

Wat de bouwdoos zo bijzonder maakt, is het aantal atoombindingen dat de elementen H, O, N en C kunnen aangaan. Ze hebben namelijk respectievelijk één, twee, drie en vier ‘handjes’ waarmee ze zich aan elkaar kunnen koppelen. Alle leven dat we kennen is uit deze elementen opgebouwd.

Motor en bliksem

Een stikstofatoom heeft drie ‘handjes’. Net als waterstof (H2) en zuurstof (O2) komt stikstof in de natuur niet in de vorm van losse atomen voor. Ze vormen twee aan twee een zogeheten distikstofmolecuul (N2), waarin ze elkaar met drie paar ‘handen’ stevig vasthouden. Daardoor reageert N2-gas nauwelijks met andere stoffen – het is behoorlijk ‘inert’. Alleen bij hoge temperaturen, bijvoorbeeld in verbrandingsmotoren, bij bliksem en bij vulkaanuitbarstingen kan N2 worden geoxideerd tot wat we NOx noemen: een groep stoffen bestaande uit (vooral) stikstof- en zuurstofatomen. In de vorm van nitraat (NO¯) belanden ze via regen en sneeuw in bodem en water, waar ze bijdragen aan de stikstofbelasting. Bij de productie van stikstofkunstmest (ammoniumnitraat, NH4NO3) wordt stikstof gebonden aan waterstof onder zeer hoge druk en bij hoge temperatuur.

Ook sommige bacteriën in de bodem en blauwalgen in het water kunnen stikstof binden. Het bekendste voorbeeld zijn de bacteriën in de wortelknolletjes van bijvoorbeeld vlinderbloemigen, zoals klaver en sojabonen. De natuur weet zo al vele miljoenen jaren met dat halsstarrige stikstof om te gaan. Andere bodembacteriën kunnen een overmaat aan nitraat juist omzetten in het inerte stikstofgas, waardoor het evenwicht wordt hersteld. Althans, totdat de mens dit ernstig verstoorde.

Over de auteurs

Prof. dr. Jos van den Broek
Emeritus hoogleraar (biomedische) wetenschapscommunicatie, Universiteit Leiden en LUMC, en lid van de raad van advies van stichting BWM
Headerfoto: © Shutterstock
Thema's

Thema's

Bekijk ook eens onze thema’s met een overzicht van de cahiers, artikelen en lesmaterialen die hierop aansluiten.

Nooit meer iets missen?

Wil je altijd op de hoogte blijven van nieuwe cahiers, dossiers en lesmaterialen? Schrijf je dan in voor onze nieuwsbrief. Wij sturen je maandelijks een overzicht van alle nieuwe content.

Schrijf je in