Podczas gdy zanieczyszczenie dwutlenkiem węgla trafia na pierwsze strony gazet ze względu na swoją rolę w zmianie klimatu, zanieczyszczenie azotem jest prawdopodobnie trudniejszym problemem. W jakiś sposób musimy uprawiać więcej żywności, aby wyżywić rosnącą populację, jednocześnie minimalizując problemy związane z wykorzystaniem nawozów azotowych.
W samej Europie, koszty środowiskowe i zdrowia ludzkiego związane z zanieczyszczeniem azotem szacuje się na 70-320 mld euro rocznie.
Emisje azotu, takie jak amoniak, tlenek azotu i podtlenki azotu, przyczyniają się do powstawania pyłu zawieszonego i kwaśnych deszczy. Powodują one problemy z oddychaniem i nowotwory u ludzi oraz szkody w lasach i budynkach.
Gazy azotowe odgrywają również ważną rolę w globalnej zmianie klimatu. Podtlenek azotu jest szczególnie silnym gazem cieplarnianym, ponieważ jest ponad 300 razy bardziej skuteczny w zatrzymywaniu ciepła w atmosferze niż dwutlenek węgla.
Zawartość azotu w nawozach, ściekach bydlęcych i ludzkich zwiększa wzrost glonów i powoduje zanieczyszczenie wody. Szacowany na 8,2 miliarda dolarów rachunek za szkody w Wielkiej Rafie Koralowej przypomina, że nasze wybory na ziemi mają duży wpływ na ziemię, wodę i powietrze w dół rzeki.
Stracony azot szkodzi również rolnikom, ponieważ stanowi zmniejszony potencjalny wzrost upraw lub zmarnowany nawóz. Wpływ ten jest najbardziej dotkliwy dla drobnych rolników w krajach rozwijających się, dla których nawozy azotowe są często największym kosztem w rolnictwie. Zmniejszona produkcja wynikająca z utraty azotu może stanowić nawet 25% dochodu gospodarstwa domowego.
Rozwiązanie wyzwania związanego z azotem będzie musiało pochodzić z połączenia innowacji technologicznych, polityki i działań konsumentów.
Niezbędny składnik
Zazot jest niezbędnym budulcem aminokwasów, białek i DNA. Wzrost roślin zależy od niego; zwierzęta i ludzie otrzymują go z jedzenia roślin lub innych zwierząt.
Gaz azotowy (N₂) stanowi 78% powietrza, ale nie może być wykorzystany przez rośliny. Nawozy są zwykle wytwarzane z amoniaku, formy azotu preferowanej przez rośliny.
Sto lat po tym, jak rozwój procesu Habera-Boscha dał nam sposób na produkcję nawozów azotowych, nasze zapotrzebowanie na nie jeszcze się nie zmniejszyło.
Zużycie nawozów azotowych wzrosło z 11 milionów ton w 1961 roku do 108 milionów ton w 2014 roku. Ponieważ poziom dwutlenku węgla w atmosferze nadal rośnie, niektóre rośliny, takie jak zboża, prawdopodobnie będą również wymagać więcej azotu.
W rzeczywistości, azot z nawozów stanowi obecnie ponad połowę białka w diecie człowieka. Jednak około 50% stosowanego azotu jest tracone do środowiska w spływie wody z pól, odpadach zwierzęcych i emisji gazów w wyniku metabolizmu mikroorganizmów glebowych.
Straty te zostały zwiększone w ciągu dziesięcioleci, jak wykorzystanie nawozów azotowych wzrasta. Reaktywny azot powoduje szeroko zakrojone szkody i spowoduje więcej szkód, jeśli straty azotu nie zostaną ograniczone.
W obliczu rosnącej populacji i zmieniającego się klimatu, musimy bardziej niż kiedykolwiek zoptymalizować wykorzystanie azotu i zminimalizować straty.
Od gospodarstwa do widelca
Jednym ze sposobów zrozumienia naszego wykorzystania azotu jest spojrzenie na nasz ślad azotowy – ilość zanieczyszczeń azotowych uwalnianych do środowiska z żywności, mieszkalnictwa, transportu oraz towarów i usług.
Badania przeprowadzone przez University of Melbourne doktorant Emma Liang pokazuje Australia ma duży ślad azotu. Przy 47 kg azotu na osobę każdego roku, Australia jest daleko przed USA, który wszedł z 28 kg azotu na osobę.
Wysoki zwierzęco-białkowa dieta wydaje się być jazdy Australii duży ślad azotu. Konsumpcja produktów zwierzęcych stanowi 82% australijskiego śladu azotu żywności.
Animal produkty niosą wysokie koszty azotu w porównaniu do produktów roślinnych. Oba produkty zaczynają się od tego samego kosztu azotu w wyniku uprawy, ale znaczne dalsze straty występują, gdy zwierzę spożywa żywność przez cały cykl życia.
Projekt N-Footprint ma na celu pomoc osobom i instytucjom w obliczeniu ich śladów azotowych. Pokazuje on, jak każdy z nas może mieć wpływ na zanieczyszczenie azotem poprzez nasze codzienne wybory.
Możemy wybrać do jedzenia niższych śladów azotu białka diety, takie jak warzywa, kurczak i owoce morza zamiast wołowiny i jagnięciny. Możemy zdecydować się na zmniejszenie odpadów żywnościowych poprzez zakup mniejszych ilości (i częściej, jeśli to konieczne) i kompostowania odpadów żywnościowych. Dobrą wiadomością jest to, że jeśli zmniejszymy nasz ślad azotowy, zmniejszymy również nasz ślad węglowy.
Wracając do gospodarstwa
W międzyczasie, wysiłki w celu bardziej efektywnego wykorzystania azotu w gospodarstwach muszą być kontynuowane. Coraz lepiej rozumiemy straty azotu z gleby dzięki technikom mikrometrycznym.
Od siedzenia na słońcu z plastikowymi komorami na wiadra, szklanymi fiolkami i strzykawkami, naukowcy używają teraz wysokich wież i laserów do wykrywania małych zmian w stężeniach gazów na dużych obszarach i wysyłają wyniki bezpośrednio do naszych komputerów.
Wiemy już, że nitryfikacja (kiedy amoniak jest przekształcany w azotany) jest ważnym czynnikiem przyczyniającym się do strat azotu, a tym samym do zmian klimatycznych i szkód w ekosystemach. Jest to proces, który badacze – i rolnicy – starają się ograniczyć straty azotu.
Inhibitory nitryfikacji są obecnie stosowane komercyjnie, aby utrzymać azot w formie amonowej, którą preferują rośliny, oraz aby zapobiec gromadzeniu się azotanów, które są łatwiejsze do utraty do środowiska.
W miarę postępu tej technologii, zaczynamy odpowiadać na pytanie, jak te inhibitory wpływają na społeczności mikrobiologiczne, które utrzymują zdrowie naszej gleby i stanowią podstawę ekosystemów.
Na przykład, nasze badania pokazują, że fosforan 3,4-dimetylopirazolu (lepiej znany jako DMPP) hamuje nitryfikację bez wpływu na różnorodność społeczności mikrobiologicznej gleby.
Były również ekscytujące obserwacje, że systemy korzeniowe niektórych tropikalnych traw hamują nitryfikację. Otwiera to możliwość zarządzania w celu spowolnienia nitryfikacji w środowisku przy użyciu podejść genetycznych.
Rozwiązanie wyzwania związanego z wykorzystaniem azotu będzie wymagało badań nad bardziej efektywnymi sposobami wykorzystania azotu przez producentów pierwotnych, ale będzie również wymagało przywództwa rządu i wyborów konsumentów, aby mniej marnować lub jeść więcej białka roślinnego. Narzędzia te sprawią, że sprawa zmian jaśniejsze, a zadanie karmienia świata greener.
Na 4-8 grudnia, czołowi międzynarodowi naukowcy spotykają się w Melbourne na 7 Międzynarodowej Konferencji Inicjatywy Azotowej, aby omówić najlepsze nowe rozwiązania problemów w użyciu azotu. Aby uzyskać bardziej dogłębne spojrzenie na te kwestie, odwiedź stronę internetową INI2016 lub dołączyć do szeregu ekspertów żywności i produkcji na Good Food for 9 Billion: Community Forum.