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15. Phosphor (P) - Der Lichtträger · Das Periodensystem der Elemente

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Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
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Periodensystem, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und
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lernen. Kennst du schon unsere anderen
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Schlafreisereien wie Schlafreise durch das Universum oder
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Schlafreise durch vergessene Welten.
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Heute widmen wir uns einem Element, das in seinem Namen das
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Licht trägt, einem Element. Das für das Leben auf unserem
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Planeten unverzichtbar ist und dessen Geschichte von
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alchemistischen Experimenten bis zur modernen Landwirtschaft
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reicht. Wir erkunden Phosphor, das
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Element mit der Ordnungszahl 15, ein Nichtmetall, das in reiner
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Form niemals in der Natur vorkommt, aber dennoch in jedem
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lebenden Organismus eine zentrale Rolle spielt.
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Der Name Phosphor stammt aus dem griechischen und bedeutet
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Lichtträger oder Lichtbringer. Diese Bezeichnung geht auf die
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faszinierende Eigenschaft des weißen Phosphors zurück, im
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Dunkeln zu leuchten, ein Phänomen, das Chemolumineszenz
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genannt wird, wenn weißer Phosphor mit Sauerstoff in
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Kontakt kommt, oxidiert er langsam bei Raumtemperatur und
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gibt dabei ein gespenstisches, grünlich weißes Leuchten ab.
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Diese Eigenschaft machte großen Eindruck auf die Menschen, die
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Phosphor erstmals entdeckten und mit ihm experimentierten.
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Die Entdeckung des Phosphors im Jahr 1666 ist eine der
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bizarrsten Geschichten der Chemiegeschichte der Deutsche
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Alchemist Hennig Brandt aus Hamburg suchte nach dem Stein
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der Weisen. Jenem legendären Stoff, der
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Unedle Metalle in Gold verwandeln sollte.
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Brandt glaubte, dass die goldene Farbe des Urins auf das
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Vorhandensein von Gold hindeutete, er sammelte große
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Mengen menschlichen Urins, ließ ihn stehen, bis er faulte, und
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begann dann mit einem komplexen Destillationsprozess er erhitzte
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den Rückstand. Bis eine wachsartige Substanz
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Überdestillierte, die im Dunkeln leuchtete und spontan Feuer
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fing, wenn sie der Luft ausgesetzt wurde.
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Brandt hatte das erste Element entdeckt, das seit der Antike
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bekannt gemacht wurde, auch wenn er nicht verstand, dass es sich
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um ein chemisches Element handelte.
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Brandt versuchte zunächst, seine Entdeckung geheim zu halten und
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den leuchtenden Stoff gewinnbringend zu verkaufen.
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Doch das Geheimnis verbreitete sich.
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Der deutsche Chemiker Johann Kunkel stellte Phosphor
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ebenfalls her und begann ihn zu untersuchen.
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Im 18 Jahrhundert entwickelten Chemiker effizientere Methoden
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zur Phosphorgewinnung, obwohl diese noch immer auf organischen
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Ausgangsstoffen wie Knochen basierten.
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Erst viel später erkannte man, dass Phosphor ein essentielles
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Element für alle Lebewesen ist und in großen Mengen in Knochen
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und anderen biologischen Geweben vorkommt.
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Phosphor steht in der 15. Gruppe des Periodensystems, der
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Stickstoffgruppe seine Elektronenkonfiguration ist nel
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3 s, 23 p 3, was bedeutet, dass es 5 Valenzelektronen besitzt.
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Diese Konfiguration ermöglicht Phosphor, vielfältige chemische
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Bindungen einzugehen. In Verbindungen kann Phosphor
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Oxidationsstufen von -3 bis plus 5 annehmen, wobei die
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Oxidationsstufen plus 3 und plus 5 die häufigsten sind, wie in
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Phosphor 3 Oxid und Phosphor 5 oxid.
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Elementarer Phosphor existiert in mehreren allotropen Formen,
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die sich in ihrer Struktur und ihren Eigenschaften dramatisch
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unterscheiden. Die wichtigsten sind weißer
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Phosphor, roter Phosphor und schwarzer Phosphor, weißer
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Phosphor, auch Gelber Phosphor genannt, besteht aus P 4
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tetraedern, also 4 Phosphoratomen, die in einer
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pyramidalen Struktur miteinander verbunden sind.
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Diese Form ist extrem reaktiv, hochgiftig und selbst
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entzündlich an der Luft. Er muss unter Wasser aufbewahrt
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werden, um Kontakt mit Sauerstoff zu vermeiden.
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Weißer Phosphor schmilzt bei etwa 44 Grad Celsius und hat
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eine wachsartige Konsistenz. Roter Phosphor entsteht, wenn
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weißer Phosphor über längere Zeit auf etwa 250 Grad Celsius
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erhitzt wird, wobei kein Sauerstoff vorhanden sein darf.
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Bei diesem Prozess brechen die P 4 Tetraeder auf und bilden lange
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Kettenartige oder netzartige Strukturen.
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Roter Phosphor ist deutlich stabiler als weißer Phosphor,
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entzündet sich nicht spontan an der Luft und ist weniger giftig.
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Er wird in Sicherheitsstreichhölzern
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verwendet, genauer gesagt auf der Reibfläche der
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Streichholzschachtel, wenn der Kopf des Streichholzes, der
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Kaliumchlorat und andere Oxidationsmittel enthält, über
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den roten Phosphor gerieben wird.
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Entsteht durch die Reibungswärme eine kleine Menge weißen
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Phosphors, der sich sofort entzündet und die Zündreaktion
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auslöst. Schwarzer Phosphor ist die
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Thermodynamisch stabilste Form und entsteht unter hohem Druck
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aus weißem Phosphor. Seine Struktur ähnelt der von
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Graphit mit Schichten von Phosphoratomen, die übereinander
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gestapelt sind. Schwarzer Phosphor ist ein
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Halbleiter und hat in den letzten Jahren zunehmendes
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Interesse in der Materialwissenschaft geweckt.
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Da dünne Schichten, sogenanntes Phosphoren, vielversprechende
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elektronische Eigenschaften für zukünftige Anwendungen in der
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Nanotechnologie zeigen. Die wichtigste natürliche Quelle
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für Phosphor ist Apathit, eine Gruppe von Mineralien mit der
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allgemeinen Formel CA 5 po 43 und.
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F. Celae Oheha, Fluorapatit,
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Chlorapatit und Hydroxylapatit sind die häufigsten Formen.
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Diese Mineralien finden sich in Phosphatgesteinen, die
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hauptsächlich sedimentären Ursprungs sind, die größten
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Phosphatvorkommen der Welt befinden sich in Marokko und der
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Westsahara, die zusammen etwa 70% der weltweiten Reserven
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kontrollieren. Weitere bedeutende Vorkommen
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gibt es in China, Algerien, Syrien, Brasilien, Südafrika und
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den Vereinigten Staaten, insbesondere in Florida.
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Die Gewinnung von Phosphor beginnt mit dem Abbau von
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Phosphatgestein im Tagebau, das Gestein wird zerkleinert und
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dann chemisch aufbereitet. Die traditionelle Methode zur
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Herstellung von elementarem Phosphor ist die Reduktion von
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Calciumphosphat mit Koks und Sand in einem Elektroofen.
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Bei Temperaturen um 1500 Grad Celsius.
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Bei diesem Prozess entsteht gasförmiger Phosphor, der
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kondensiert und als weißer Phosphor gesammelt wird.
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Heutzutage wird der größte Teil des abgebauten Phosphatgesteins
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jedoch nicht zu elementarem Phosphor verarbeitet, sondern zu
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Phosphorsäure und Phosphatdüngern.
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Phosphorsäure wird durch Behandlung von Phosphatgestein
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mit Schwefelsäure hergestellt dieser Prozess, bekannt als das
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Nassverfahren, produziert Phosphorsäure und Calciumsulfat
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als Nebenprodukt. Die Phosphorsäure wird dann zur
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Herstellung verschiedener Phosphatverbindungen verwendet,
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von denen die wichtigsten Düngemittel sind.
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Die 3 Haupttypen von Phosphatdüngern sind
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Superphosphat, Tripelsuperphosphat und
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Diamoniumphosphat. Diese Düngemittel sind für die
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moderne Landwirtschaft unverzichtbar geworden die
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Bedeutung von Phosphor für das Leben kann nicht überschätzt
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werden. Phosphor ist eines der 6
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Hauptelemente des Lebens. Zusammen mit Kohlenstoff,
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Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel in
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lebenden Organismen findet sich Phosphor hauptsächlich in Form
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von Phosphatgruppen, die DNA und RNA, die genetischen
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Informationsträger aller bekannten Lebensformen,
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enthalten Phosphor in ihrem Zuckerphosphatrückgrat.
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Die Desoxyribose oder Ribosezuckermoleküle sind durch
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phosphodist Verbindungen miteinander verbunden, wodurch
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die charakteristische Doppelhelixstruktur der DNA
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entsteht. Adenosin Triphosphat, kurz ATP,
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ist die universelle Energiewährung der Zelle.
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Dieses Molekül besteht aus Adenosin, einem Nukleosid, das
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an 3 Phosphatgruppen gebunden ist.
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Wenn die Bindung zwischen den Phosphatgruppen gespalten wird,
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wird Energie freigesetzt, die für nahezu alle
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energieverbrauchenden Prozesse in der Zelle genutzt wird, von
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der Muskelkontraktion über die Proteinsynthese bis zur aktiven
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Transportmechanismen durch Zellmembranen ohne Phosphor
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könnte kein bekannter Organismus existieren.
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Phospholipide. Sind ein weiterer essentieller
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Bestandteil aller Zellmembranen. Diese Moleküle bestehen aus
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einem Glyzerinmolekül, das an 2 Fettsäuren und eine
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Phosphatgruppe gebunden ist. Die Phosphatgruppe ist
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Hydrophil, also Wasserliebend, während die Fettsäureketten
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hydrophob, also wasserabweisend sind.
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Diese amphipathische Eigenschaft ermöglicht es phospholipiden,
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Doppelschichten zu bilden, die die Grundstruktur aller
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biologischen Membranen darstellen und die innere
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Umgebung der Zelle von der äußeren Umgebung trennen.
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Im menschlichen Körper befinden sich etwa 700 Gramm Phosphor,
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von denen etwa 85% in Knochen und Zähnen als Hydroxylapatit.
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Ca. 10 po 46 ohelator 2 vorliegen.
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Dieser anorganische Bestandteil verleiht Knochen und Zähnen ihre
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Härte und Festigkeit. Die verbleibenden 15% sind in
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Weichgeweben und Körperflüssigkeiten als
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organische Phosphatverbindungen vorhanden.
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Der tägliche Phosphorbedarf eines Erwachsenen liegt bei etwa
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700 Milligramm, der normalerweise leicht durch die
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Nahrung gedeckt wird. Da Phosphor in proteinreichen
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Lebensmitteln wie Fleisch, Fisch, Milchprodukten,
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Hülsenfrüchten und Nüssen reichlich vorhanden ist.
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Der Phosphorkreislauf in der Natur unterscheidet sich
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grundlegend vom Kohlenstoff oder Stickstoffkreislauf.
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Da Phosphor keine gasförmige Faser hat und daher nicht durch
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die Atmosphäre zirkuliert. Phosphor bewegt sich
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hauptsächlich durch Verwitterung von Gesteinen, Erosion,
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biologische Aufnahme und Sedimentation.
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Phosphathaltige Gesteine Verwittern langsam und setzen
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Phosphationen frei, die von Pflanzen aufgenommen werden
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Tiere nehmen Phosphor durch die Nahrung auf.
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Wenn Organismen sterben und zerfallen, wird der Phosphor
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freigesetzt und kehrt in den Boden oder ins Wasser zurück.
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Ein Teil des Phosphors wird durch Erosion in Flüsse und
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schließlich ins Meer gespült, wo er sich in Sedimenten ablagert.
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Über geologische Zeiträume können diese Sedimente zu
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phosphatgesteinen verfestigt werden, wodurch der Kreislauf
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geschlossen wird, allerdings über Zeiträume von Millionen
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Jahren. Die moderne, intensive
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Landwirtschaft hat diesen natürlichen Kreislauf dramatisch
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verändert. Durch den Abbau von
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Phosphatgestein und dessen Umwandlung in Düngemittel
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beschleunigen wir die Freisetzung von Phosphor, der
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über Millionen Jahre in Gesteinen gebunden war.
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Diese Phosphatdünger ermöglichen höhere Erträge, aber ein
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erheblicher Teil des Ausgebrachten Phosphors wird
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nicht von Pflanzen aufgenommen, sondern durch Regen in Gewässer
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geschwemmt. Dies führt zu einem Prozess
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namens Eutrophierung, bei der Eutrophierung führt der
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Überschuss an Nährstoffen, insbesondere Phosphor und
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Stickstoff, zu explosionsartigem Algenwachstum in Seen, Flüssen.
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Und Küstengewässern, wenn diese Algen absterben, werden sie von
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Bakterien abgebaut, die dabei große Mengen Sauerstoff
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verbrauchen. Dies führt zu Sauerstoffarmen
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oder sogar sauerstofffreien Zonen, in denen Fische und
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andere aquatische Organismen nicht überleben können.
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Solche toten Zonen sind in vielen Teilen der Welt ein
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ernsthaftes Umweltproblem. Beispielsweise im Golf von
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Mexiko, in der Ostsee und im Eriesee.
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Phosphorverbindungen haben eine Vielzahl industrieller
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Anwendungen Phosphorsäure wird nicht nur zur
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Düngemittelherstellung verwendet, sondern auch in der
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Lebensmittelindustrie, als Säuerungsmittel, in Getränken
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wie Cola, in Rostumwandlern, zur Metallbehandlung und in der
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Herstellung von Reinigungsmitteln.
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Verschiedene Phosphate werden als Puffersubstanzen,
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Emulgatoren und Konservierungsmittel eingesetzt.
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Organophosphor Verbindungen, in denen Phosphor direkt an
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Kohlenstoff gebunden ist, haben wichtige Anwendungen und auch
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problematische Aspekte, einige Pestizide und Insektizide sind
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organophosphor Verbindungen, sie wirken, indem sie das Enzym
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Acetylcholinesterase hemmen. Das für die Funktion des
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Nervensystems entscheidend ist. Dies macht sie hochwirksam gegen
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Insekten, aber auch potentiell gefährlich für Menschen und
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andere Tiere. Glyphosat, ein weit verbreitetes
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Herbizid, ist ebenfalls eine Organophosphorverbindung in der
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Vergangenheit wurden Organophosphorverbindungen auch
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als chemische Kampfstoffe entwickelt, sogenannte
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Nervengifte, Visarin und WEXE. Diese extrem toxischen
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Substanzen hemmen ebenfalls die Acetylcholinesterase und können
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in winzigen Mengen tödlich sein. Ihre Entwicklung und
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gelegentliche Verwendung zeigt die dunkle Seite der chemischen
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Forschung und die Notwendigkeit internationaler Abkommen zur
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Kontrolle solcher Waffen. Auf der positiven Seite spielen
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Phosphorverbindungen eine wichtige Rolle in der
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Materialwissenschaft. Phosphor wird in Halbleitern als
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Dotierungsstoff verwendet, wenn winzige Mengen Phosphor in
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hochreines Silicium eingebracht werden, stellt es zusätzliche
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Elektronen zur Verfügung und erzeugt einen n Typ Halbleiter.
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Diese dotierten Halbleiter sind die Grundlage aller modernen
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Elektronik, von Computerprozessoren bis zu
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Solarzellen lumineszente Materialien, sogenannte
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Phosphore. Obwohl nicht alle tatsächlich
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Phosphor enthalten, werden in Leuchtstofflampen,
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Fernsehbildschirmen und LED Displays verwendet.
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Einige dieser Materialien enthalten tatsächlich
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phosphorverbindungen, die beim Beschuss mit Elektronen oder Uv
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Licht sichtbares Licht emittieren.
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Die Farbauswahl und Effizienz moderner Displays hängt stark
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von der Entwicklung immer besserer Phosphormaterialien ab,
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Flammschutzmittel auf Phosphorbasis werden in
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Kunststoffen, Textilien und Schaumstoffen verwendet.
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Diese Verbindungen wirken, indem sie bei Erhitzung Phosphorsäure
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freisetzen, die eine schützende Schicht bildet und den Zugang
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von Sauerstoff zum brennenden Material verhindert.
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Sie gelten als weniger umweltschädlich als früher
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verwendete bromierte Flammschutzmittel, die
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Phosphorversorgung ist zu einer wichtigen Ressourcenfrage
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geworden. Phosphor ist nicht erneuerbar in
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dem Sinne, dass Phosphatgestein über Millionen Jahre entsteht.
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Die derzeit bekannten Reserven sind zwar umfangreich, aber
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endlich Schätzungen über die Reichweite der Phosphorreserven
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variieren stark von einigen Jahrzehnten bis zu mehreren
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Jahrhunderten, abhängig von Annahmen über zukünftigen
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Bedarf, technologische Entwicklungen und die
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Erschließung neuer Lagerstätten. Die Konzentration der
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Phosphatreserven in wenigen Ländern, insbesondere in
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politisch instabilen Regionen, macht die Phosphorversorgung zu
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einer geopolitischen Frage. Länder ohne eigene
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Phosphatvorkommen sind vollständig von Importen
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abhängig, dies hat Diskussionen über Phosphor als strategische
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Ressource und die Notwendigkeit von Recycling und effizienterem
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Einsatz ausgelöst. Phosphor Recycling ist technisch
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möglich, aber oft nicht wirtschaftlich.
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Die Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm, tierischen
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Abfällen und anderen organischen Quellen wird zunehmend
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erforscht. Einige Länder, insbesondere in
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Europa, haben begonnen, Technologien zur
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Phosphorrückgewinnung aus Abwasser zu implementieren.
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Diese Ansätze könnten helfen, den Druck auf natürliche
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Phosphatreserven zu verringern und gleichzeitig die
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Eutrophierung von Gewässern zu reduzieren.
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Die Effizienz der Phosphornutzung in der
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Landwirtschaft ist ein weiterer wichtiger Ansatzpunkt,
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Präzisionslandwirtschaft, die den Düngemitteleinsatz auf den
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tatsächlichen Bedarf der Pflanzen abstimmt, kann die
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Phosphorverluste erheblich reduzieren.
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Die Entwicklung von Pflanzensorten, die Phosphor
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effizienter aufnehmen und nutzen können, ist ein weiteres
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Forschungsgebiet. Einige Pflanzen bilden
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symbiotische Beziehungen mit mycoriza Pilzen, die ihnen
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helfen, Phosphor aus dem Boden aufzunehmen, die Förderung
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solcher natürlichen Mechanismen könnte den Bedarf an
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synthetischen Düngemitteln verringern, während wir über
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Phosphor nachdenken. Dieses Element, das so
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fundamental für alles leben ist, erkennen wir die komplexen
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Verbindungen zwischen Chemie, Biologie, Landwirtschaft,
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Industrie und Umwelt. Die Geschichte des Phosphors
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zeigt, wie menschliche Neugier zu erstaunlichen Entdeckungen
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führen kann, wie diese Entdeckungen die Welt verändern
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können, aber auch. Wie wir dabei unbeabsichtigte
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Konsequenzen schaffen. Die Herausforderung des 21.
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Jahrhunderts besteht darin, die Ernährung einer wachsenden
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Weltbevölkerung zu sichern, während wir gleichzeitig unsere
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natürlichen Ressourcen schonen und die Umwelt schützen.
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Phosphor steht im Zentrum dieser Herausforderung.
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Wir müssen Wege finden, dieses essentielle Element nachhaltig
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zu nutzen, Kreisläufe zu schließen und die kostbare
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Ressource zu bewahren. Unsere Erde ist das einzige
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bekannte Zuhause des Lebens im Universum und jedes Lebewesen
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auf diesem Planeten von den kleinsten Bakterien bis zu den
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größten Walen, vom tiefsten Ozeangrund bis zu den höchsten
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Bergen, trägt Phosphor in sich. Diese universelle Abhängigkeit
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von einem einzigen Element erinnert uns daran, wie vernetzt
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und fragil die Systeme sind, die das Leben ermöglichen.
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Die sorgfältige Verwaltung unserer Phosphorressourcen, das
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Schließen von Nährstoffkreisläufen und der
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Schutz unserer Gewässer vor Überdüngung sind nicht nur
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technische Herausforderungen, sondern Ausdruck unserer
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Verantwortung für diesen. Einzigartigen Planeten und alle
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Lebensformen, die ihn mit uns teilen.