Zapomniany kryzys azotowy

Z każdym oddechem wciągamy do płuc aż 78 proc. azotu. Wszystkie cztery nukleotydy stanowiące "litery", którymi zapisany jest kod naszego DNA, czyli adenina, cytozyna, guanina i tymina są oparte na azocie, ale to także podstawowy składnik całej ziemskiej biosfery. Ludzkości udało się jednak zaburzyć naturalny cykl azotowy. Powołany przez ONZ panel ekspertów uznał, że to jeden z najpoważniejszych kryzysów, przed jakimi stoimy.

Azot niechętnie wchodzi w reakcje z innymi pierwiastkami. Żeby mógł być wykorzystywany przez żywe istoty, jego wiązania atomowe muszą zostać rozbite. Tu do gry wchodzą bakterie. Mikroorganizmy, na przykład bakterie żyjące w symbiozie z korzeniami roślin strączkowych, rozbijając cząsteczki azotu, łączą je z wodorem i tworzą amoniak. Dzięki temu trafia on do biosfery, bo rośliny są zjadane przez zwierzęta, a gnijąc, uwalniają tworzące je substancje do gleby. Tam inne bakterie uwalniają go z powrotem do atmosfery. Cykl się zamyka.

Ten naturalny obieg azotu powinien być w równowadze - mniej więcej tyle samo powinno być pochłaniane co uwalniane do atmosfery. Tak jednak już nie jest.

Na początku XX w. dwaj niemieccy chemicy, Fritz Haber i Carl Bosch wynaleźli proces, dzięki któremu azot z atmosfery można przekształcać w amoniak bez pomocy bakterii. Powstałe dzięki ich wynalazkowi nawozy sztuczne zrewolucjonizowały rolnictwo i pozwoliły na wykarmienie miliardów ludzi. Haber otrzymał za to w 1918 r. Nagrodę Nobla. Odbierając ją, mówił: "To zapewne nie jest ostateczne rozwiązanie problemu. Bakterie uczą nas, że Natura i stworzone przez nią wyrafinowane formy chemii żywych istot rozumie i wykorzystuje metody, których nie potrafimy naśladować".

Dziś rocznie produkuje się na świecie ponad 100 mln ton nawozów azotowych. 

Sukces procesu Habera-Boscha miał dla natury jednak bardzo poważne konsekwencje. Z jednej strony globalne zapotrzebowanie na nawozy sprawia, że dziś aż 1 proc. globalnych emisji gazów cieplarnianych wiąże się właśnie z ich wytwarzaniem. Z drugiej człowiek, biorąc na siebie odpowiedzialność za zarządzanie całym cyklem azotowym w przyrodzie, wytrącił wiele naturalnych procesów z równowagi.

Według szacunków naukowców, w naturalnym cyklu azotowym, w obiegu znajdowało się około 62 mln ton azotu rocznie. Dziś to już około 300 mln ton. To zupełnie zmieniło dystrybucję podstawowych związków odżywczych na planecie.Międzynarodowy System Zarządzania Azotem (INMS) to stworzony przez ONZ projekt, który ma być dla cyklu azotowego tym, czym Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu (IPCC) jest dla gazów cieplarnianych. Naukowcy starają się dokładnie ocenić to, jak nawozy sztuczne wpływają na stan naszej planety. Obraz nie jest optymistyczny.

Nadmiar azotu w obiegu szkodzi środowisku na kilka sposobów. Przyczynia się na przykład do powstawania w morzach i oceanach pozbawionych tlenu martwych stref. Nawóz spływający do morza wspomaga wzrost glonów, wywołując ich zakwity. Gdy mikroskopijne rośliny obumierają, procesy towarzyszące ich rozkładowi pochłaniają tlen, zabijając ryby, mięczaki i inne stworzenia. Dziś jest już ponad 400 takich stref, a jedna z największych znajduje się w sercu Bałtyku.

To tylko początek problemów z azotem. Samochody czy elektrownie emitują tlenki azotu, które są jedną z głównych przyczyn powstawania szkodliwego smogu. Przenikające do gleby związki azotu wiążą znajdujące się w glebie inne składniki odżywcze, takie jak magnez i wapń sprawiając, że te stają się niedostępne dla roślin. Azot przyczynia się też do niszczenia warstwy ozonowej - podtlenek azotu na dużych wysokościach pod wpływem promieniowania UV wchodzi w reakcje z ozonem. To prowadzi do zubożenia warstwy chroniącej powierzchnię Ziemi przed szkodliwym promieniowaniem. Podtlenek azotu jest też gazem cieplarnianym, aż 120-krotnie silniej wpływającym na ogrzewanie Ziemi, niż CO2.

Rosnący poziom zanieczyszczenia amoniakiem może wreszcie prowadzić do zmniejszenia kwasowości powietrza. A lekko kwaśne powietrze jest niezbędne do prawidłowego funkcjonowania niektórych ekosystemów, takich jak torfowiska, które magazynują ogromne ilości dwutlenku węgla.

Problemem nie jest tylko to, że używamy zbyt wiele nawozów sztucznych, ale przede wszystkim, że większość z nich po prostu się marnuje. Badania przeprowadzone przez uczonych z Uniwersytetu Maryland wykazały, że o ile w 1961 r. 50 proc. nawozów sztucznych było wykorzystywanych przez rośliny, to dziś jest to zaledwie 42 proc. Reszta w żaden sposób nie wspomaga rolnictwa, zamiast tego potęgując zanieczyszczenie środowiska.

Jak rozwiązać ten problem? Jest kilka pomysłów, ale wymagają one zmiany podejścia do stosowania nawozów sztucznych. Zamiast regularnego nawożenia pól, rolnicy mogliby na przykład stosować "inteligentne nawozy", w których związki odżywcze zamknięte są w polimerowych granulkach, które stopniowo uwalniają je do otoczenia. Są one jednak stosunkowo drogie. Inną, tańszą metodą jest wkopywanie granulek mocznika w głąb ziemi tak, by amoniak będący produktem jego przekształceń trafiał w pierwszej kolejności do korzeni roślin, a nie do atmosfery. To zwiększa efektywność wykorzystania nawozów nawet do 80 proc.

Jeszcze inną, zaawansowaną technicznie metodą walki z zanieczyszczeniem azotem jest tak zwane rolnictwo precyzyjne. Dzięki sieci dronów satelitów i czujników mierzących stan gleby i roślin rolnicy mogliby stosować nawozy tylko tam, gdzie jest to w danym momencie koniecznie. Wreszcie, kilka startupów chce zmodyfikować genetycznie bakterie tak, by żyły w symbiozie nie tylko z roślinami strączkowymi, ale też na przykład z kukurydzą czy pszenicą, tworząc naturalne "fabryki nawozów" w glebie.

Pewne jest, że bez globalnego działania kryzys azotowy będzie narastał. Bez skoordynowanych działań problemy wywołane przez wynalazek Habera będą się pogłębiać.

W 2019 r. ONZ zorganizowała na Sri Lance konferencję poświęconą zanieczyszczeniu planety związkami azotu. Przyjęto tam Deklarację z Colombo, która wyznaczała mapę drogową do zmniejszenia ilości azotowych zanieczyszczeń o połowę do 2030 r. Do tej pory cel taki przyjęło jednak zaledwie 14 państw.