Phosphate sind Phosphorverbindungen, in denen der Phosphor in einer Oxidationsstufe vorliegt.

Phosphorverbindungen sind für alle Lebewesen existenziell notwendig. Sie sind für den Aufbau und die Funktion vieler zentraler Bereiche wie DNA und Nahrungsversorgung der Zellen verantwortlich. Auch für die Photosynthese ist Phosphat notwendig.
In einem Menschen (70 kg) sind rd. 700 g Phosphat enthalten (vorwiegend im Knochenbau als Calciumphosphat).

Phosphor kommt in der Natur als Phosphat, gebunden in Mineralien wie Apatit, Phosphorit u.a., in der Erdkruste vor.
Von den ca. 180 Mill. Tonnen jährlich weltweit geförderten Rohphosphaten werden 90% als Düngemittel eingesetzt.
Als Düngemittel kann Phosphat durch keinen anderen Stoff ersetzt werden.

Welche Bedeutung hat Phosphat für die Pflanzen?

Phosphate sind Bestandteile von Fetten (Lipiden) und somit auch ein Strukturelement für den Aufbau der Zellmembranen. Daneben sind Phosphate wichtige Bestandteile der DNA- und RNA-Stränge. Des Weiteren haben Phosphate Einfluss auf Kohlehydrat- und Wasserhaushalt und auf die Photosynthese der Pflanzen.

Wie gelangen Phosphate ins Wasser?

Phosphat ist z.B. im Ablaufwasser von Kläranlagen enthalten, jedoch in relativ geringer Menge (z.B. 0,8-1,5 mg/l ohne Fällung).
Die Ausscheidungen bei Menschen z.B. betragen 1-4 mg/kg Körpergewicht am Tag.
Bei einem angenommenen Kläranalgenablauf von 45 l/sec und einem Abflussregime von 4,5 m3/sec betrüge der Anteil des Klärwassers gerade einmal 1%.

Ein wesentlicher Punkt ist jedoch die Landwirtschaft! Aus der Tier-Haltung (1-2 g P/kg Ausscheidungen) und den Düngemitteln wird der Großteil des Phosphates in die Gewässer ausgebracht.

So wichtig die Phosphatdüngung für den Ertrag der Pflanzen ist, so problematisch kann sie für die Umwelt sein. Vor allem bei unsachgemäßer Düngung mit Gülle oder synthetischen phosphathaltigen Düngemitteln können durch Regen größere Mengen Phosphat ausgespült werden und in Gewässer gelangen. Auch die Erosion transportiert Phosphate, gebunden an Tonminerale, in Oberflächengewässer. Dort steigert der Nährstoff das Wachstum von Algen und Wasserpflanzen. 1 g Phosphat produziert 100 g Biomasse, deren Abbau 140 g Sauerstoff verbraucht. Deren Absterben verursacht letztlich einen Sauerstoffmangel, die Bildung von Giftstoffen – und damit ein Fischsterben.

Quantifizierung von Phosphat in Gewässern:

Wieviel Phosphat ist nun tatsächlich in den Gewässern vorhanden?

Ich möchte als Beispiel die Salmonidenregion der Wied anführen, da die Wied in den Jahren 1990/1992 diesbezüglich sehr intensiv untersucht wurde. Ich beziehe mich hier auf den Bereich Quelle bis Döttesfeld. In diesem Bereich lagen 8 Messpunkte, die jeweils 6-mal beprobt wurden. Gemessen wurde P. ortho in der freien Welle.

Da die Messungen sehr starke Schwankungen (0,001 – 3,09 mg/l) aufwiesen, wurde nicht der arithmetische Mittelwert, sondern der Medianwert berechnet.

Hier lagen die Medianwerte bei 0,04 – 0,17 mg.

Die Richtwerte der WRRL (<0,1) sind weitgehend nicht erreicht.
Die Richtwerte der EG-Richtlinie (1978) für Salmonidengewässer (0,065 mg) wurden ebenfalls meist nicht erreicht.

(Datenquelle: DOMMERMUTH, 1996)

Fazit:
Die extremen Schwankungen der Messwerte zeigen auf, wie wenig verlässlich Phosphat als Indikator für Eutrophierung ist, zumal, wenn er nur sporadisch gemessen wird.

Des Weiteren lassen diese starken Differenzen der Messwerte auf diffuse Einträge aus der Landwirtschaft schließen (Regen- Windereignisse, die Phosphat in die Gewässer spülen, bzw. wehen).

Aber auch wenn es mitunter nur sporadische und kurzzeitige Phosphatanstiege im Wasser sind, so sind doch die Pflanzen – vor allem die Algen – in der Lage Phosphat dem Wasser zu entziehen und als Nährstoff aufzunehmen, wie im folgenden Absatz beschrieben.

Die Phosphat-Aufnahme von Algen:

Wie kommt das gelöste Phosphat nun in die Algen?

Die gelösten P-Ionen – bei Grünalgen (Chlorophyta) sind es HPO₄^–-Ionen; bei Blaualgen (Cyanobakterien) sind es HPO₄^2--Ionen – werden innerhalb allerkürzester Zeit via ATP (Adenosintriphosphat) durch die Zellmembran aufgenommen. Das Bauprinzip in der Zellmembran ist wie bei einer Drehtür: Das freie Ion dockt in einer Vakuole-ähnlich geöffneten Membranöffnung an, die danach entscheidet, ob das Phosphat sofort zum Energieumsatz benötigt wird oder nicht.

Wenn ja, was passiert?

Das Phosphormolekül bindet sich an ein Zuckermolekül (meist das Glucoseatom 6). Diesen Vorgang nennt man auch Phosphorylierung. Da die Veresterung mit dem Zuckermolekül energiereicher als die Ausgangsverbindung ist, entsteht ein Energiezuwachs von 13,8 kJ mol -1.
Die Pflanze (Algenzelle) hat nun neue Energie für weitere Teilungen und Wachstum.

Wenn nein, was passiert dann?

Da die Phosphataufnahme wesentlich schneller als das Wachstum der Algen vonstattengeht, wird eine Speicherung des Phosphats in den Chloroplasten der Zelle vorgenommen. Wenn auch diese Speicherkapazität erreicht ist, wird kein neues Phosphat mehr aufgenommen, die Drehtür wird geschlossen: Die Sättigungsgrenze ist erreicht!