‘Duivels element’ en ‘drager van het licht’: de bijnamen van fosfaat tonen de twee gezichten van een grondstof die het verschil maakt tussen leven en dood van onze wereldbevolking. Als vlammend chemisch wapen heeft het vele slachtoffers op zijn naam staan. In kunstmest is het onmisbaar om de miljarden monden te voeden. Mensen zijn afhankelijk van fosfaat, maar de belangrijkste bronnen raken op.
Het eeuwige leven
Vijftig emmers urine kookte de alchemist Hennig Brandt rond 1669 in zijn laboratorium in Hamburg. Hij was op zoek naar de Steen der Wijzen, die simpele metalen in goud zou veranderen en wellicht het eeuwige leven brengt. Wat overbleef was een wit klontje, dat gloeide en suizend in vlammen uitbrak. De substantie kreeg de naam phosphorus, drager van licht, zoals de Grieken de morgenster noemden die de opkomst van de zon aankondigt.
Het klontje dat Brandt ontdekte was echter niet het atoom dat wij nu als fosfor kennen, maar fosfaat: een piramidevormig molecuul dat bestaat uit een fosforatoom te midden van vier zuurstofatomen. 567 van elk miljoen atomen waaruit de aardkorst in verschillende moleculen is opgebouwd, zijn fosforatomen. In het milieu en alles wat leeft is fosfor alleen te vinden in verbinding met andere atomen zoals fosfaat.
Wij krijgen 1 gram fosfaat per dag binnen via voedsel. Driekwart kilo fosfaat zit in ons skelet, het zit in alle levende cellen, in ons DNA als de schakel die ons genetisch alfabet tot unieke zinnen rijgt. Het vormt een essentieel onderdeel van leven.
Wat uiteindelijk wel doodgaat, ontbindt in al zijn elementen. Het fosfaat voegt zich naast urine en mest in de bodem, klaar om als onmisbare voedingsstof opnieuw te worden opgenomen. Zo ontstaat er een evenwicht tussen de planten en dieren die op een plek leven, en de voedingsstoffen die in een bodem aanwezig zijn.
De sanitaire revolutie
Onze grote afhankelijkheid van kunstmest op dit moment, is het gevolg van een verstoring van dit evenwicht.
De eerste fosfaatproblemen ontstonden toen west-Europeanen in de tweede helft van de 19de eeuw massaal naar de steden trokken. Londen, destijds een van de grootste steden in de wereld, barstte door de Industriele Revolutie uit haar voegen. Binnen een straal van twintig kilometer woonden 2,5 miljoen mensen. Hoe groter de middeleeuwse Europese steden werden, hoe meer de afstand van de mest en lijken tot de landbouwgrond groeide. Fosfaatrijk voedsel werd wel uit de velden rondom de steden gehaald, maar fosfaatrijk afval kwam niet meer terug op het land.
Tegelijk zorgde het opgehoopte menselijk afval in de steden voor een enorme stank en hygienische problemen. Weliswaar was het doorspoelbare toilet al in 1596 door een Engelsman uitgevonden, wat er doorheen ging belandde vaak in de rivier of enkele meters verderop en creeerde een broedplaats voor bacterieen en ziektes. De nood om de resten veilig te verwerken groeide.
Met de komst van het riool, was de doorbraak in de fosfaatcyclus compleet. In 1856 lag er in Londen bijna duizend kilometer aan afvoerbuizen die urine, mest en andere resten voorgoed bij de landbouwgronden vandaan spoelde, uiteindelijk richting zee. Terwijl we ons voedsel nog van het land halen, keert het fosfaat in ons afval daar niet meer terug. De landbouwgrond raakt sinds de verstedelijking en de sanitaire revolutie steeds verder uitgeput.
Kunstmest
De enige manier waarop we nu nog voedsel kunnen produceren, is door fosfaat kunstmatig weer aan de bodem toe te voegen. Zo’n 90% van de wereldwijde vraag naar fosfaat komt vandaag de dag uit de voedselproductie. Die voedselproductie zal de komende decennia met 70 procent moeten groeien om een groeiende en steeds welvarendere bevolking te kunnen voeden. Volgens de Verenigde Naties zal de wereldbevolking in 2050 tot boven de negen miljard mensen uit stijgen. Die negen miljard mensen zijn in grote mate afhankelijk van fosfaat.
Dat bevestigde Justus von Liebig in 1840. De Duitse chemicus beweerde dat niet de organische ingrediënten van mest voor plantengroei zorgden, maar de anorganische zouten zoals fosfaatzout. Om voedsel te kunnen blijven produceren na de sanitaire revolutie, kon de landbouw dus naar andere bronnen dan mest zoeken voor fosfaat.
Een bron voor nieuw leven bleek de dood. Toen ze beseften dat botten grotendeels uit calciumfosfaat bestaan, startten Engelse en Amerikaanse boeren met het vermalen van stapels skeletten tot kunstmest. Bizonbotten waren een prima vervangmiddel van uitwerpselen.
In dezelfde periode troffen onderzoekers uit beide landen grote hoeveelheden calciumfosfaat aan in de Amerikaanse grond en die van eilanden in de Grote Oceaan. Met het aanboren van fosfaatmijnen nam de productie van fosfaatkunstmest een enorme vlucht. De productiviteit van de landbouw in landen die de exploitatie en verwerking konden betalen. Tussen 1950 en 2000 verzesvoudigde de wereldwijde bemesting van akkers, voornamelijk door een toename daarvan in rijke landen.
Op dit moment zijn er slechts een paar landen ter wereld die over fosfaatmijnen beschikken. Voornamelijk China, Marokko en de Verenigde Staten leveren de grondstof waarmee we kunstmest maken. Wetenschappers schatten dat deze bronnen binnen honderd jaar zijn uitgeput.
Zonder fosfaaterts zal de landbouw een manier moeten vinden om de stroom van voedingsstoffen te sluiten. Dat kan door terug te keren naar de fosfaatcyclus van voor de sanitaire revolutie. Nu al halen rioolwaterzuiveringsinstallaties het fosfaat uit urine en mest. De kunstmest die daarvan gemaakt wordt, komt weer ouderwets op het land terecht.
Enkele boeren gaan nog verder terug in de tijd en steken hun velden in brand. Bij verbranding komt het fosfaat uit de begroeiing in de as terecht. 40.000 jaar geleden al, ver voordat iemand zich realiseerde dat fosfaat een onmisbare voedingsstof is voor voedselproductie, maakten aboriginals zo hun Australische bodem opnieuw vruchtbaar.
Drager van het licht
Ook Brandt zag fosfaat niet als voedingsstof, maar als brandstof. Hij wist evenmin dat het, hoewel geen voldoende voorwaarde voor levenselixer, een noodzakelijke voorwaarde voor leven is. De toen gangbare flogistontheorie stelde dat er iets bestond als een vuur element, dat duidelijk lag besloten in het licht ontvlambare phosphorus. Na enkele jaren van geheimhouding gaf hij zijn vondst in 1675 prijs aan de wereld.
De honderd jaar die op zijn ontdekking volgden, leken de uit urine gedestilleerde lichtgevende klontjes vooral geschikt voor experimentele geneeskunde en mysterieus vermaak voor de Europese elite.
De praktische toepassing als brandstof die phosphorus vandaag de dag heeft, ontstond pas aan het begin van de twintigste eeuw. Tegen die tijd waren skeletten en mijnen als nieuwe bronnen vrijgekomen. Fosfaat kon in relatief grote hoeveelheden geproduceerd worden. De verkoop van lucifers nam een vlucht. Ook de militaire industrie begon het nut in te zien van het ‘duivels element’ dat ontvlamde bij het geringste contact met zuurstof en zeer giftig bleek in kleine hoeveelheden.
Het Britse leger zette fosfaat grootschalig in als chemisch wapen tijdens de Eerste Wereldoorlog. Het liet een fabriek bouwen voor het maken van fosfaatbommen. Nadat het in de lucht ontbrandt, zorgt het element bovendien voor rookgordijnen, brandwonden en sterfte bij inademing. De branden die de bommen stichtten, waren niet met water te blussen. Water veroorzaakte juist een reactie met fosfaat, waarbij een dodelijk gas vrijkomt. Daarnaast werden in de loop van de twintigste eeuw biocides ontwikkeld op basis van fosfaat. Zo zag het zenuwgas VX het licht, dat al bij zeer kleine hoeveelheden dodelijk is wanneer het in aanraking komt met de huid.
Ook nu nog wordt fosfaat als chemisch wapen gebruikt, hoewel het inmiddels door de Conventie van Geneve vanwege zijn gruwelijke eigenschappen verboden is.
Het einde van een kringloop
Dat verbod gold nog niet tijdens de Tweede Wereldoorlog. In een zomerse week in 1943 daalde 2000 ton brandend fosfaat neer op de stad van Hennig Brandt, waar het voor het eerst ontvlamde. De morgenster viel als een bom uit de hemel op Hamburg. De drager van het licht werd het een verstoten engel die ter aarde stortte. Phosphorus veranderde tijdelijk in zijn christelijke naamgenoot. Lucifer.