Medan kolföroreningar får alla rubriker för sin roll i klimatförändringen är kväveföroreningar utan tvekan ett mer utmanande problem. På något sätt måste vi odla mer mat för att föda en växande befolkning och samtidigt minimera de problem som är förknippade med användningen av kvävegödselmedel.
Enbart i Europa uppskattas kostnaderna för miljön och människors hälsa till 70-320 miljarder euro per år.
Kväveutsläpp som ammoniak, kväveoxid och kväveoxider bidrar till partiklar och surt regn. Dessa orsakar andningsproblem och cancer hos människor och skador på skogar och byggnader.
Nätgaserna spelar också en viktig roll för den globala klimatförändringen. Dikväveoxid är en särskilt potent växthusgas eftersom den är över 300 gånger effektivare än koldioxid när det gäller att fånga in värme i atmosfären.
Skväve från gödselmedel, avloppsvatten från boskap och avloppsvatten från människor ökar tillväxten av alger och orsakar vattenföroreningar. De beräknade skadorna på 8,2 miljarder dollar på Great Barrier Reef är en påminnelse om att våra val på land har stora konsekvenser för mark, vatten och luft nedströms.
Kväve som går förlorat skadar också jordbrukare, eftersom det innebär minskad potentiell tillväxt av grödor eller slöseri med gödselmedel. Denna påverkan är mest akut för småbrukare i utvecklingsländer, för vilka kvävegödsel ofta är den största kostnaden för jordbruket. Den minskade produktionen på grund av det förlorade kvävet kan utgöra så mycket som 25 % av hushållsinkomsten.
Lösningen på kväveutmaningen måste komma från en kombination av teknisk innovation, politik och konsumentåtgärder.
Den viktiga ingrediensen
Kväve är en viktig byggsten för aminosyror, proteiner och DNA. Växters tillväxt är beroende av det; djur och människor får det genom att äta växter eller andra djur.
Vätgas (N₂) utgör 78 % av luften, men den kan inte användas av växter. Gödselmedel tillverkas vanligtvis av ammoniak, en form av kväve som växterna föredrar.
Ett sekel efter att utvecklingen av Haber-Bosch-processen gav oss ett sätt att tillverka kvävegödselmedel har vår efterfrågan på det ännu inte planat ut.
Användningen av kvävegödsel har ökat från 11 miljoner ton 1961 till 108 miljoner ton 2014. I takt med att koldioxidhalterna fortsätter att stiga i atmosfären kommer vissa växter, t.ex. spannmål, sannolikt också att efterfråga mer kväve.
Kväve från konstgödsel står nu faktiskt för mer än hälften av proteinet i människans kost. Ändå går omkring 50 procent av det använda kvävet förlorat i miljön i form av vattenavrinning från åkrar, djuravfall och gasutsläpp från mikrobernas metabolism i marken.
Dessa förluster har ökat under årtiondena i takt med att användningen av kvävegödselmedel har ökat. Reaktivt kväve orsakar omfattande skador och kommer att orsaka mer skada om kväveförlusterna inte begränsas.
Med en växande befolkning och ett förändrat klimat behöver vi mer än någonsin optimera användningen av kväve och minimera förlusterna.
Från jord till bord
Ett sätt att förstå vår kväveanvändning är att titta på vårt kväveavtryck – mängden kväveföroreningar som släpps ut i miljön från livsmedel, bostäder, transporter samt varor och tjänster.
Forskning av Emma Liang, doktorand vid University of Melbourne, visar att Australien har ett stort kväveavtryck. Med 47 kg kväve per person och år ligger Australien långt före USA, som kom in på 28 kg kväve per person.
En kost med mycket animaliska proteiner verkar vara orsaken till Australiens stora kväveavtryck. Konsumtionen av animaliska produkter står för 82 procent av det australiensiska livsmedels kväveavtrycket.
Animaliska produkter medför höga kvävekostnader jämfört med vegetabiliska produkter. Båda produkterna börjar med samma kvävekostnad som ett resultat av att odla en gröda, men betydande ytterligare förluster uppstår när djuret konsumerar mat under hela sin livscykel.
Projektet N-Footprint syftar till att hjälpa enskilda personer och institutioner att beräkna sina kväveavtryck. Det visar hur vi alla kan påverka kväveföroreningar genom våra dagliga val.
Vi kan välja att äta proteindieter med lägre kväveavtryck, till exempel grönsaker, kyckling och skaldjur i stället för nöt- och lammkött. Vi kan välja att minska matsvinnet genom att köpa mindre mängder (och oftare vid behov) och kompostera matavfall. Den goda nyheten är att om vi minskar vårt kväveavtryck minskar vi också vårt koldioxidavtryck.
Tillbaka till gården
Under tiden måste ansträngningarna för att använda kväve mer effektivt på gårdarna fortsätta. Vi blir allt bättre på att förstå kväveförluster från marken med hjälp av mikrometerologiska tekniker.
Från att ha suttit i solen med hinkkammare av plast, glasflaskor och sprutor använder forskarna nu höga torn och lasrar för att upptäcka små förändringar i gaskoncentrationer över stora områden och skicka resultaten direkt till våra datorer.
Vi vet nu att nitrifikation (när ammoniak omvandlas till nitrat) är en viktig orsak till kväveförluster och därmed klimatförändringar och skador på ekosystem. Det är en process som forskare – och jordbrukare – riktar in sig på för att minska kväveförlusterna.
Nitrifikationshämmare används nu kommersiellt för att hålla kväve i ammoniumformen, som växter föredrar, och för att förhindra ackumulering av nitrat, som lättare försvinner till miljön.
I takt med att denna teknik utvecklas börjar vi besvara frågan om hur dessa inhibitorer påverkar de mikrobiella samhällen som upprätthåller vår jords hälsa och utgör grunden för ekosystemen.
Vår forskning visar till exempel att 3,4-dimetylpyrazolfosfat (mer känt som DMPP) hämmar nitrifikationen utan att påverka mångfalden av mikrobiella samhällen i marken.
Det har också gjorts spännande observationer om att rotsystemen hos vissa tropiska gräs inhiberar nitrifikation. Detta öppnar upp ett förvaltningsalternativ för att bromsa nitrifikationshastigheten i miljön med hjälp av genetiska metoder.
För att lösa utmaningen med kväveanvändning kommer det att krävas forskning om effektivare sätt för primärproducenter att använda kväve, men det kommer också att krävas ledarskap från regeringens sida och konsumenternas val att slösa mindre eller äta mer växtprotein. Dessa verktyg kommer att göra argumenten för förändring tydligare och uppgiften att föda världen grönare.
Den 4-8 december möts ledande internationella forskare i Melbourne för den sjunde internationella kväveinitiativkonferensen för att diskutera de bästa nya lösningarna på problemen med kväveanvändning. För en mer djupgående titt på dessa frågor, besök INI2016-webbplatsen eller gå med en rad livsmedels- och produktionsexperter på konferensen Good Food for 9 Billion (God mat för 9 miljarder): Community Forum.