Wanneer koolstofverontreiniging alle krantenkoppen haalt vanwege haar rol in klimaatverandering, is stikstofverontreiniging aantoonbaar een uitdagender probleem. Op de een of andere manier moeten we meer voedsel verbouwen om een groeiende bevolking te voeden, terwijl we de problemen in verband met het gebruik van stikstofmeststoffen tot een minimum moeten beperken.
In Europa alleen al worden de kosten van stikstofverontreiniging voor het milieu en de menselijke gezondheid geraamd op 70-320 miljard euro per jaar.
Stikstofemissies zoals ammoniak, stikstofoxide en stikstofoxiden dragen bij tot zwevende deeltjes en zure regen. Deze veroorzaken ademhalingsproblemen en kanker bij mensen en schade aan bossen en gebouwen.
Stikstofhoudende gassen spelen ook een belangrijke rol bij de wereldwijde klimaatverandering. Lachgas is een bijzonder krachtig broeikasgas, omdat het meer dan 300 keer zo effectief is in het vasthouden van warmte in de atmosfeer als kooldioxide.
Stikstof uit kunstmest, afvalwater van vee en menselijk afvalwater stimuleren de groei van algen en veroorzaken waterverontreiniging. De geschatte schade van 8,2 miljard A$ aan het Great Barrier Reef herinnert ons eraan dat onze keuzes op het land grote gevolgen hebben voor het land, het water en de lucht stroomafwaarts.
Verloren stikstof is ook schadelijk voor boeren, omdat het een verminderde potentiële gewasgroei of verspilling van meststoffen betekent. Dit effect is het meest acuut voor kleine boeren in ontwikkelingslanden, voor wie stikstofbemesting vaak de grootste landbouwkostenpost is. De verminderde productie als gevolg van de verloren stikstof kan tot 25% van het gezinsinkomen bedragen.
De oplossing voor het stikstofprobleem zal moeten komen van een combinatie van technologische innovatie, beleid en actie van de consument.
Het essentiële ingrediënt
Stikstof is een essentiële bouwsteen voor aminozuren, eiwitten en DNA. De groei van planten hangt ervan af; dieren en mensen krijgen het binnen door het eten van planten of andere dieren.
Stikstofgas (N₂) maakt 78% van de lucht uit, maar kan niet door planten gebruikt worden. Meststoffen worden meestal gemaakt van ammoniak, een vorm van stikstof die de planten verkiezen.
Een eeuw nadat de ontwikkeling van het Haber-Bosch-proces ons een manier gaf om stikstofmeststoffen te maken, is onze vraag ernaar nog niet tot stilstand gekomen.
Het gebruik van stikstofmeststoffen is gestegen van 11 miljoen ton in 1961 tot 108 miljoen ton in 2014. Naarmate het kooldioxideniveau in de atmosfeer blijft stijgen, zullen sommige planten, zoals granen, waarschijnlijk ook meer stikstof nodig hebben.
In feite is stikstof uit kunstmest nu goed voor meer dan de helft van het eiwit in de menselijke voeding. Toch gaat zo’n 50% van de stikstof verloren aan het milieu door afvloeiend water, dierlijk afval en gasemissies van het metabolisme van bodemmicroben.
Deze verliezen zijn de afgelopen decennia toegenomen naarmate het gebruik van stikstofmeststoffen toenam. Reactieve stikstof veroorzaakt veel schade, en zal meer schade veroorzaken als de stikstofverliezen niet worden beperkt.
Geconfronteerd met een groeiende bevolking en een veranderend klimaat moeten we meer dan ooit het gebruik van stikstof optimaliseren en de verliezen tot een minimum beperken.
Van boerderij tot vork
Een manier om inzicht te krijgen in ons stikstofgebruik is te kijken naar onze stikstofvoetafdruk – de hoeveelheid stikstofvervuiling die in het milieu vrijkomt door voedsel, huisvesting, vervoer en goederen en diensten.
Onderzoek door promovendus Emma Liang van de Universiteit van Melbourne toont aan dat Australië een grote stikstofvoetafdruk heeft. Met 47 kg stikstof per persoon per jaar ligt Australië ver voor op de VS, die met 28 kg stikstof per persoon kwamen.
Een dieet met veel dierlijke eiwitten lijkt aan de basis te liggen van de grote stikstofvoetafdruk van Australië. De consumptie van dierlijke producten is goed voor 82% van de Australische voedselstikstofvoetafdruk.
Dierlijke producten brengen hoge stikstofkosten met zich mee in vergelijking met plantaardige producten. Beide producten beginnen met dezelfde stikstofkosten als gevolg van de teelt van een gewas, maar er treden aanzienlijke verdere verliezen op naarmate het dier gedurende zijn levenscyclus voedsel verbruikt.
Het N-Footprint project heeft tot doel particulieren en instellingen te helpen hun stikstofvoetafdruk te berekenen. Het laat zien hoe we allemaal door onze dagelijkse keuzes invloed kunnen hebben op de stikstofvervuiling.
We kunnen ervoor kiezen om proteïnediëten met een lagere stikstofvoetafdruk te eten, zoals groenten, kip en zeevruchten in plaats van rund- en lamsvlees. We kunnen ervoor kiezen om voedselverspilling te verminderen door kleinere hoeveelheden te kopen (en vaker indien nodig) en voedselafval te composteren. Het goede nieuws is dat als we onze stikstofvoetafdruk verkleinen, we ook onze koolstofvoetafdruk verkleinen.
Terug naar de boerderij
In de tussentijd moeten de inspanningen om stikstof op landbouwbedrijven efficiënter te gebruiken, worden voortgezet. We krijgen steeds meer inzicht in de stikstofverliezen uit de bodem door middel van micrometerologische technieken.
Van in de zon zitten met plastic emmerkamers, glazen flesjes en injectiespuiten, gebruiken wetenschappers nu hoge torens en lasers om kleine veranderingen in gasconcentraties over grote gebieden te detecteren en de resultaten rechtstreeks naar onze computers te sturen.
We weten nu dat nitrificatie (wanneer ammoniak wordt omgezet in nitraat) in belangrijke mate bijdraagt tot stikstofverliezen en bijgevolg tot klimaatverandering en schade aan ecosystemen. Het is een proces waar onderzoekers – en landbouwers – zich op richten om stikstofverliezen te verminderen.
Nitrificatieremmers worden nu commercieel gebruikt om stikstof in de ammoniumvorm te houden, waaraan planten de voorkeur geven, en om de accumulatie van nitraat te voorkomen, dat gemakkelijker aan het milieu verloren gaat.
Naarmate deze technologie voortschrijdt, beginnen we de vraag te beantwoorden hoe deze remmers de microbiële gemeenschappen beïnvloeden die de gezondheid van onze bodem in stand houden en de basis vormen van ecosystemen.
Onderzoek toont bijvoorbeeld aan dat 3,4-dimethylpyrazolfosfaat (beter bekend als DMPP) de nitrificatie remt zonder de diversiteit van de microbiële gemeenschap in de bodem aan te tasten.
Er zijn ook opwindende waarnemingen gedaan dat de wortelsystemen van sommige tropische grassen de nitrificatie remmen. Dit opent een beheersoptie om de nitrificatiesnelheid in het milieu te vertragen met behulp van genetische benaderingen.
Om de uitdaging van het stikstofgebruik op te lossen is onderzoek nodig naar efficiëntere manieren voor primaire producenten om stikstof te gebruiken, maar er is ook leiderschap van de overheid nodig en keuzes van consumenten om minder te verspillen of meer plantaardige eiwitten te eten. Deze hulpmiddelen zullen de argumenten voor verandering duidelijker maken, en de taak om de wereld te voeden groener.
Op 4-8 december komen vooraanstaande internationale onderzoekers in Melbourne bijeen voor de 7e International Nitrogen Initiative Conference om de beste nieuwe oplossingen voor problemen bij het gebruik van stikstof te bespreken. Voor een meer diepgaande kijk op deze kwesties, bezoek de INI2016 website of sluit je aan bij een reeks voedsel- en productiedeskundigen op het Good Food for 9 Billion: Community Forum.