Stikstoffixatie: hoe lucht voedsel wordt
Van de lucht om ons heen bestaat ruim driekwart uit stikstofgas (N2). Toch verhongert een plant zonder extra hulp te midden van die overvloed, want in gasvorm is stikstof voor bijna elk levend organisme onbruikbaar. Twee stikstofatomen zitten in N2 aan elkaar geplakt met een van de sterkste chemische bindingen die er bestaan. Stikstoffixatie is het proces waarbij die binding wordt losgemaakt en de stikstof wordt omgezet in een vorm die planten wél kunnen opnemen, meestal ammoniak (NH3). Vergelijk het met een enorme voorraadkast vol voedsel achter een deur die op slot zit: de sleutel is het lastige deel.
Er bestaan grofweg twee manieren om die deur te openen: de natuur doet het al miljoenen jaren met bacteriën, en de mens doet het sinds ruim honderd jaar met een energie-intensief industrieel proces. Beide hebben nadelen. Onderzoekers en bedrijven werken daarom aan nieuwe vormen van stikstoffixatie die minder energie kosten, minder vervuiling opleveren of gewassen zelfvoorzienend maken. Dat is waar dit artikel over gaat: niet over de Nederlandse stikstofcrisis rond veehouderij en natuurgebieden, maar over de technologie die stikstof uit de lucht omzet in bruikbare voedingsstof voor planten.
Wat is het precies?
Om de N2-binding te breken is veel energie nodig. Er zijn in de praktijk twee routes die daarvoor werken.
De eerste is het Haber-Boschproces, vernoemd naar de Duitse scheikundigen Fritz Haber en Carl Bosch, die rond 1910 een methode ontwikkelden om stikstofgas en waterstofgas onder extreem hoge druk en temperatuur, met een ijzerkatalysator, samen te voegen tot ammoniak. Dit proces draait wereldwijd in grote fabrieken en levert het grootste deel van de kunstmest die de landbouw gebruikt. Het probleem: het proces vraagt veel energie, en de waterstof komt doorgaans uit aardgas. Daardoor is Haber-Bosch verantwoordelijk voor een fors deel van de wereldwijde energieconsumptie en CO2-uitstoot van de industrie.
De tweede route is biologisch. Bepaalde bacteriën beschikken over het enzym nitrogenase, dat bij normale temperatuur en druk stikstofgas kan omzetten in ammoniak. Het bekendste voorbeeld zijn rhizobiumbacteriën die in de wortelknolletjes van vlinderbloemige planten leven, zoals erwten, bonen en klaver. De plant levert de bacterie suikers als energiebron, de bacterie levert in ruil bruikbare stikstof: een symbiose waar beide partijen baat bij hebben. Het nadeel van nitrogenase is dat het enzym kapotgaat zodra het in contact komt met zuurstof, wat de bacteriën dwingt tot allerlei trucs om zichzelf zuurstofvrij te houden, en het proces kost de plant relatief veel energie.
Nieuwe technologieën proberen het beste van twee werelden te combineren: de efficiëntie en zuinigheid van biologische fixatie, maar dan toegankelijk voor gewassen die van nature geen partnerbacteriën hebben, zoals graan en mais. Daarnaast wordt gezocht naar schonere versies van het industriële proces, waarbij duurzame elektriciteit in plaats van aardgas de energie levert.
Wat wil men ermee bereiken?
De landbouw is voor zijn opbrengsten sterk afhankelijk van kunstmest op basis van Haber-Bosch-ammoniak. Schattingen lopen uiteen, maar een veelgebruikt cijfer is dat ongeveer de helft van de wereldbevolking indirect eet dankzij deze kunstmest. Die afhankelijkheid heeft een keerzijde: de productie kost veel fossiele energie, de prijs van kunstmest is gevoelig voor gasprijzen, en overmatig gebruik op het land leidt tot uitspoeling naar grond- en oppervlaktewater en tot uitstoot van het broeikasgas lachgas.
Het doel van moderne stikstoffixatie-onderzoek is drieledig. Ten eerste: de industriële productie van ammoniak verduurzamen, zodat er minder fossiele brandstof en minder CO2-uitstoot bij komt kijken. Ten tweede: gewassen die van nature geen stikstofbindende bacteriën herbergen, zoals mais, tarwe en rijst, toch (deels) van hun eigen stikstof voorzien, zodat boeren minder kunstmest hoeven te kopen en strooien. Ten derde: de toegang tot kunstmest verbeteren voor kleine boeren in lage-inkomenslanden, voor wie de huidige prijs en beschikbaarheid vaak een obstakel zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
Pivot Bio (Verenigde Staten, opgericht in 2011) ontwikkelde stikstofbindende bodembacteriën die specifiek zijn aangepast om ook in aanwezigheid van kunstmest actief te blijven en direct bij de wortels van mais te gaan werken. Het product, verkocht onder de naam Proven, wordt sinds enkele jaren commercieel op Amerikaanse maisakkers toegepast als aanvulling op, niet vervanging van, kunstmest.
Azotic Technologies (Verenigd Koninkrijk) bouwt voort op onderzoek van de Britse plantkundige Edward Cocking, die een stikstofbindende bacterie ontdekte die van nature in suikerriet leeft. Onder de naam Envita wordt deze bacterie als zaadbehandeling verkocht voor uiteenlopende gewassen, van mais tot aardappelen.
Het ENSA-project (Engineering Nitrogen Symbiosis for Africa), getrokken door het John Innes Centre en de Universiteit van Cambridge en gefinancierd door de Bill & Melinda Gates Foundation, probeert de genetische en biochemische basis van de symbiose tussen vlinderbloemigen en rhizobiumbacteriën te ontrafelen, met als einddoel diezelfde symbiose over te dragen naar graangewassen die belangrijk zijn voor kleine boeren in Afrika.
Op het gebied van schone ammoniakproductie bouwde het Noorse bedrijf Yara een fabriek in Porsgrunn die ammoniak produceert met waterstof uit elektrolyse op basis van Noorse waterkracht, in plaats van aardgas. Het Amerikaanse start-up Talus Renewables ontwikkelt kleinschalige, modulaire installaties die met zonne-energie ter plekke ammoniakmeststof maken, bedoeld voor boeren in Afrika die anders afhankelijk zijn van dure, geïmporteerde kunstmest.
Hoe ver is de techniek?
De verschillende sporen bevinden zich op heel uiteenlopende niveaus van rijpheid. Microbiële producten zoals die van Pivot Bio en Azotic zijn al op de markt en worden door boeren gebruikt, maar de bijdrage die ze leveren is aanvullend: ze vervangen tot nu toe maar een deel van de kunstmestbehoefte, niet het geheel, en de resultaten variëren per grondsoort, klimaat en gewasseizoen.
Het overdragen van complete stikstoffixerende symbiose of van het nitrogenase-enzym zelf naar graangewassen als tarwe en rijst is wetenschappelijk veel lastiger en bevindt zich vooral nog in het laboratorium. De belangrijkste hobbel is dat nitrogenase kapotgaat door zuurstof, terwijl plantencellen juist zuurstof gebruiken om te ademen. Onderzoekers experimenteren met het onderbrengen van het enzym in zuurstofarme celonderdelen, maar een werkend, veldklaar systeem is er nog niet. Deskundigen op dit terrein spreken zelf over een tijdshorizon van tientallen jaren voordat dit, als het al lukt, op grote schaal op het land staat.
Groene ammoniak via elektrolyse is technisch al bewezen en draait in een handvol fabrieken, maar vormt vooralsnog een klein percentage van de wereldwijde ammoniakproductie. De grootste beperking is niet de chemie, maar de beschikbaarheid en prijs van voldoende goedkope, duurzame elektriciteit op de schaal die nodig is om Haber-Bosch op fossiele brandstof te vervangen.
Wie werken eraan?
Aan de microbiële en genetische kant zijn Pivot Bio en Azotic Technologies de bekendste commerciële spelers, naast het door Bayer en Ginkgo Bioworks opgerichte Joyn Bio, dat eveneens aan stikstofbindende microben werkte. Op onderzoeksgebied lopen het John Innes Centre en de Universiteit van Cambridge in het Verenigd Koninkrijk voorop, mede dankzij financiering van de Gates Foundation. In de Verenigde Staten doet onder meer de University of Washington onderzoek naar het overbrengen van nitrogenase naar plantencellen. In Nederland houdt Wageningen University & Research zich bezig met stikstoffixerende symbiosen en duurzamere stikstofbenutting in de landbouw.
Aan de industriële kant investeren gevestigde kunstmestproducenten als Yara in groene ammoniak, terwijl start-ups als Talus Renewables en Nitricity zich richten op kleinschalige, decentrale productie met zonne-energie. Overheden in de Europese Unie, de Verenigde Staten en Australië ondersteunen dit soort projecten met subsidies, als onderdeel van bredere plannen om de landbouw en de chemische industrie te verduurzamen.