… όπου “Ο Κύκλος του Νερού” συναντά τον Κύκλο του Αζώτου…
Το σύμπαν και η φύση εμπλούτισαν την ατμόσφαιρα της γης πλουσιοπάροχα και ανεξάντλητα με μοριακό άζωτο, κατά τα 4/5 της, προκειμένου να διαδραματίσει ένα κεντρικό ρόλο για την παραγωγή της τροφής, καθώς τα φυτά εξάγουν άζωτο από το περιβάλλον τους για να κάνουν τα τρόφιμα.
Όμως δεν επέτρεψαν στον άνθρωπο να το χρησιμοποιήσει ελεύθερα. Εκφράζοντας τη δυσπιστία τους στις αειφορικές προθέσεις και ικανότητές του, ανέθεσαν την ευθύνη της διαχείρισης του αζώτου (αζωτοδέσμευση και αποδέσμευση) στη χημεία της γης και τη ζωή.
Σ’ ένα θαυμαστό αέναο κύκλο ανέθεσαν την αζωτοδέσμευση στους υδρατμούς ή τις ενώσεις του αζώτου με το οξυγόνο της ατμόσφαιρας ( καύσεις, κεραυνοί, θερμοκρασία), ή σε οργανικές ενώσεις για τη δημιουργία και συντήρηση της ζωής και στη συνέχεια την αποδέσμευση και επιστροφή του πάλι στην ατμόσφαιρα σε μοριακή μορφή, για τη επαναδημιουργία του ίδιου κύκλου.
Την ανέθεσαν ακόμη σε πολύτιμους μικροοργανισμούς / βακτήρια, βιοτικά στοιχεία του οικοσυστήματος του φυσικού περιβάλλοντος (Αζωτοβακτήρια και Ριζόβια), που ζώντας συμβιωτικά στις ρίζες των ψυχανθών (όπως είναι το τριφύλλι, η μπιζελιά, η φασολιά, η φακή, η σόγια) σε ειδικά εξογκώματα (φυμάτια) προσφέρουν τις εξειδικευμένες χημικές ικανότητες τους για να διασπάσουν τα μόρια του αζώτου και να φτάσουν έτσι σε ζώντες οργανισμούς. Και συγκεκριμένα, χρησιμοποιώντας ένζυμα να προκαλούν τη μετατροπή του αζώτου από το περιβάλλον σε νιτρικά ιόντα, δηλαδή σε οργανικό άζωτο, μορφή που σε συνδυασμό με τον άνθρακα σε μια μεγάλη ποικιλία μορίων που είναι απαραίτητα τόσο για τα φυτά όσο και για τα ζώα που θα τα τρώνε τα οποία μπορούν να απορροφηθούν από τα ψυχανθή σε μορφές που τα φυτά μπορούν να χρησιμοποιήσουν ως θρεπτικά συστατικά σε μια διαδικασία αζωτοδέσμευσης. Γι’ αυτό το λόγο άλλωστε τα όσπρια είναι πλούσια σε πρωτεΐνες.
Η βιολογική αζωτοδέσμευση κατέχει το 90% της συνολικής αζωτοδέσμευσης.
Μιλήσαμε για έναν αέναο κύκλο.
Είναι γιατί τη διαδικασία της αζωτοδέσμευσης συμπληρώνει η διαδικασία της απονιτροποίησης, στην οποία οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν θρεπτικές ουσίες αζώτου ως πηγή ενέργειας και επιστρέφουν μόρια αζώτου στην ατμόσφαιρα.
Δυστυχώς, καθώς, όπως λέμε, «ουδέν καλόν αμιγές κακού» για να παραφράσουμε τη γνωστή ρήση, η απονιτροποίηση παράγει επίσης μερικά παραπροϊόντα αζώτου που είναι ατμοσφαιρικοί ρύποι, όπως θα αναφέρουμε παρακάτω.
Τι συμβαίνει με τον κύκλο αζώτου;
Η ατμοσφαιρική αζωτοδέσμευση κατέχει το 10% της συνολικής αζωτοδέσμευσης και προκύπτει από τους υδρατμούς που σχηματίζουν αμμωνία, ή με το ατμοσφαιρικό οξυγόνο με τη την ενέργεια που προσφέρεται από τις ηλεκτρικές εκκενώσεις (αστραπές, κεραυνοί σχηματίζοντας νιτρικά ιόντα, τα οποία, αμμωνία και νιτρικά ιόντα με τη βροχή καταλήγουν στο έδαφος)
Η υποστήριξη της δράσης των μικροοργανισμών για τον εμπλουτισμό του εδάφους είναι μια καταλυτική ανθρώπινη δραστηριότητα της φύτευσης οσπρίων, όπως σόγιας και ψυχανθών ελκυστικών ξενιστών για τους μικροοργανισμούς σταθεροποίησης αζώτου.
Μια προσπάθεια εφαρμογής αζωτοδεσμευτικών βακτηρίων σε συμβατικό, βιολογικό και υδροπονικό σύστημα καλλιέργειας νωπού φασολιού και των και η μελέτη των επιπτώσεών της στην παραγωγή, τη βιολογική αζωτοδέσμευση και τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, που έγινε στο Γεωπονικό Πανεπιστήμιο, παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον (Κοντοπούλου Χάρις, 2015).
Ωστόσο η ανθρώπινη δραστηριότητα και εφευρετικότητα πήρε κι άλλες μορφές και οδήγησε στην παραγωγή πρόσθετων θρεπτικών ουσιών/ συστατικών αζώτου και στο διπλασιασμό της ποσότητας του σταθερού αζώτου σε σχέση με τα επίπεδα που υπήρχαν κατά την προ-βιομηχανική εποχή.
Τέτοιες άλλες μορφές ανθρώπινης δραστηριότητας που οδηγεί, ως βασική αιτία στη διαταραχή του κύκλου του φυσικού αζώτου, με την αφύσικη διάσπαση του μορίου του αζώτου, δηλαδή την απομάκρυνσή του από τον αέρα, είναι μεταξύ άλλων, η παραγωγή και χρήση λιπασμάτων για τη γεωργία και η καύση ύλης (κυρίως ορυκτών καυσίμων (βενζίνης, πετρελαίου, γαιανθράκων) σε κινητήρες οχημάτων και εργοστάσια αλλά και από κατασκευές οικιακής χρήσης (κεντρικές θερμάνσεις, τζάκια κτλ) εξαιτίας της παραγόμενης υψηλής θερμοκρασίας.
Μιλώντας για τη Γεωργία, υπογραμμίζεται ότι δεν παραγνωρίζεται, ότι η γεωργία προσφέρει μεγάλες δυνατότητες απομόνωσης και αποθήκευσης άνθρακα σε φυτά, δένδρα και εδάφη. Όμως και ότι το λίπασμα για τα γεωργικά χωράφια είναι η κύρια πηγή οξειδίου του αζώτου, αυτού του ισχυρού αερίου του θερμοκηπίου.
Δυστυχώς η έλλειψη μιας στρατηγικής η οποία θα είχε, ως περιεχόμενο την επιλογή και προώθηση πολλών γεωργικών εκμεταλλεύσεων και έργων που θα στόχευαν στη βελτιστοποίηση του ισοζυγίου άνθρακα στην ευρωπαϊκή γεωργία και θα συνέβαλαν στην επίτευξη των στόχων της πράσινης συμφωνίας της ΕΕ, που επιδιώκει, ως γνωστόν το στόχο της κλιματικής ουδετερότητας έως το 2050) έχει το τίμημά της.
Από την άλλη, τα εργοστάσια αμμωνίας συμπληρώνουν τη φυσική λειτουργία της αζωτοδέσμευσης με την ανάπτυξη, “ωμών” δυνάμεων θερμοκρασίας και πίεσης, εξάγοντας περίπου 100 εκατομμύρια μετρικούς τόνους αζώτου από την ατμόσφαιρα κάθε χρόνο.
Γιατί πρέπει να νοιαζόμαστε για τον κύκλο του αζώτου ;
Η ανέλεγκτη παραγωγή και χρήση των λιπασμάτων σε ποσοστό περισσότερο από το μισό της ετήσιας ποσότητας αζωτοδέσμευσης, όπως και γενικότερα η ανθρώπινη δραστηριότητα στη γεωργία και τη βιομηχανία, έχουν διαταράξει επικίνδυνα τον κύκλο του αζώτου και έχουν γίνει η κύρια αιτία σοβαρών περιβαλλοντικών προβλημάτων.
Η διαταραχή, οδηγεί στο σχηματισμό οξειδίων του αζώτου (το αέριο μίγμα μονοξειδίου του αζώτου, διοξειδίου του αζώτου και το αέριο), καθώς και του αέριου υποξείδιου του αζώτου που υπάρχει στην γήινη ατμόσφαιρα
Τα τελευταία χρόνια η συγκέντρωση του υποξειδίου του αζώτου (Ν2Ο) στην ατμόσφαιρα, είναι σταθερά αυξανόμενη.
Το υποξείδιο του αζώτου, αν και μη άμεσα τοξικό (τουλάχιστον στις συγκεντρώσεις που υπάρχει στην ατμόσφαιρα), αποτελεί επικίνδυνο συστατικό της ατμόσφαιρας, διότι συμβάλλει στην ενίσχυση του φαινομένου του θερμοκηπίου, ενώ παράλληλα, έμμεσα (μέσω διάχυσης, φωτοδιάσπασης και μετατροπής του σε μονοξείδιο του αζώτου) λειτουργεί με καταστροφικό χαρακτήρα για το στρατοσφαιρικό όζον.
Αξίζει να σημειωθεί, από την άλλη, ότι ένα μόριο μονοξειδίου του αζώτου, στην πραγματικότητα, παγιδεύει θερμότητα περίπου 200 φορές πιο αποτελεσματικά από κάθε μόριο διοξειδίου του άνθρακα, το πιο άφθονο αέριο του θερμοκηπίου.
Τα άλλα οξείδια του αζώτου παραμένουν επίσης στον αέρα για μεγάλο χρονικό διάστημα, κατά τη διάρκεια ενός αιώνα, επειδή δεν διαλύονται εύκολα στο νερό και αντιστέκονται στην αντίδραση με άλλες χημικές ουσίες.
Τελική συνέπεια είναι να φτάνουν στη στρατόσφαιρα όπου το ηλιακό φως τα διασπά σε νιτρικό οξείδιο. Ένα μόριο μονοξειδίου του αζώτου, στην πραγματικότητα, παγιδεύει θερμότητα περίπου 200 φορές πιο αποτελεσματικά από κάθε μόριο διοξειδίου του άνθρακα, το πιο άφθονο αέριο του θερμοκηπίου. Το οξείδιο του αζώτου παραμένει επίσης στον αέρα για μεγάλο χρονικό διάστημα – κατά τη διάρκεια ενός αιώνα – επειδή δεν διαλύεται εύκολα στο νερό και αντιστέκεται στην αντίδραση με άλλες χημικές ουσίες.
Κατά συνέπεια φτάνει τελικά στη στρατόσφαιρα όπου το ηλιακό φως το διασπά σε νιτρικό οξείδιο,
Ταυτόχρονα, άλλα αέρια σταθερού αζώτου που απελευθερώνονται από λιπάσματα συμβάλλουν στην παραγωγή όζοντος στην κατώτερη ατμόσφαιρα, όπου είναι περισσότερο αντιληπτός, ως ρύπος παρά ως ένας προστάτης.
Αυτό το αντιδραστικό άζωτο μπορεί επίσης να οδηγήσει στην παραγωγή αερολυμάτων που μπορούν να προκαλέσουν σοβαρές αναπνευστικές ασθένειες, καρκίνο και καρδιακές παθήσεις όταν αναπνέουμε στον αέρα.
Ένα ακόμη πρόβλημα ρύπανσης, η όξινη βροχή, τροφοδοτείται εν μέρει από οξείδια του αζώτου από το λίπασμα.
Άλλες μορφές σταθερού αζώτου που εφαρμόζονται κατά τη γονιμοποίηση, ιδιαίτερα ιόντα νιτρώδους, επιδεινώνουν επίσης τα προβλήματα ρύπανσης των υδάτων.
Οι υψηλές συγκεντρώσεις νιτρικών στο πόσιμο νερό είναι ένα άμεσο πρόβλημα υγείας του ανθρώπου. ανάμεσα σε άλλες αναφορές έχει ενδιαφέρουσα και η εκτίμηση, ότι οι συγκεντρώσεις αυτές ευθύνονται για το «σύνδρομο μπλε μωρού».
Πρόσθετες οικολογικές ανησυχίες προκύπτουν από το ρόλο των σταθερών αζωτούχων ενώσεων σε υπερβολικά εμπλουτισμένα υδρόβια οικοσυστήματα, παράγοντας μεγάλες ποσότητες φυτοπλαγκτού (μικρά φυτά νερού) που καταστρέφουν την παροχή οξυγόνου στο νερό και οδηγούν σε «νεκρές ζώνες». «Σε παγκόσμιο επίπεδο, έως ότου η σταθεροποίηση του αζώτου εξισορροπηθεί από την απονιτροποίηση, η ποσότητα του υπερβολικού σταθερού αζώτου στον κόσμο θα αυξάνεται ασταμάτητα, με αυξανόμενες συνέπειες για τα οικοσυστήματα και τη δημόσια υγεία», γράφει ο Robert Socolow του Πανεπιστημίου του Πρίνστον. [Socolow, σελ. 6005]
Τι μπορεί να κάνει η επιστήμη της μηχανικής;
Σήμερα έχει πια καταστεί επιτακτική η ανάγκη ανάπτυξης συστημάτων καταστροφής του εν λόγω ρύπου. Η διατήρηση μιας βιώσιμης προμήθειας τροφίμων στο μέλλον χωρίς υπερβολική περιβαλλοντική υποβάθμιση θα απαιτήσει έξυπνες μεθόδους για την αποκατάσταση της ανθρώπινης διαταραχής του κύκλου αζώτου.
Τις τελευταίες τέσσερις δεκαετίες, η παραγωγή τροφίμων μπόρεσε να συμβαδίσει με την αύξηση του ανθρώπινου πληθυσμού χάρη στην ανάπτυξη νέων ποικιλιών καλλιέργειας υψηλής απόδοσης που καλλιεργούνται αποτελεσματικότερα με τη βοήθεια λιπασμάτων.
Στρατηγικές μηχανικής για να αυξηθεί η απονιτροποίηση θα μπορούσε να συμβάλουν στη μείωση της περίσσειας συσσώρευση σταθεροποιημένου αζώτου, αλλά η πρόκληση είναι να δημιουργήσουμε μόρια αζώτου και όχι υποξείδιο του αζώτου, Ν2Ο, το αέριο του θερμοκηπίου.
Ομοίως, οι τεχνολογικές προσεγγίσεις θα πρέπει να βελτιωθούν για να βοηθήσουν για τον περαιτέρω έλεγχο της απελευθέρωσης οξειδίων του αζώτου που παράγονται κατά την καύση υψηλής θερμοκρασίας καυσίμων.
Μια σημαντική ανάγκη για περαιτέρω καινοτομικές λύσεις, θα είναι η βελτίωση της αποτελεσματικότητας διαφόρων ανθρώπινων δραστηριοτήτων που σχετίζονται με το άζωτο, από την παραγωγή λιπασμάτων έως την ανακύκλωση απορριμμάτων τροφίμων.
Είναι ενδιαφέρον να αναδειχτεί το γεγονός, ότι με τις σημερινές συνθήκες, λιγότερο από το ήμισυ του σταθεροποιημένου αζώτου που παράγεται από τις γεωργικές πρακτικές καταλήγει πραγματικά σε συγκομιδές. Και περαιτέρω, λιγότερο από το ήμισυ του αζώτου σε αυτές τις καλλιέργειες καταλήγει πραγματικά στα τρόφιμα που καταναλώνουν οι άνθρωποι.
Με άλλα λόγια, σταθερό άζωτο διαρρέει έξω από το σύστημα σε διάφορα στάδια της διαδικασίας – από το αγρόκτημα έως την τροφοδοσία έως τη μονάδα επεξεργασίας λυμάτων.
Είναι επιβεβλημένη η ανάγκη να εντοπιστούν τα σημεία διαρροής και να επινοηθούν συστήματα για να τα συνδέσουν.
Για παράδειγμα, οι τεχνολογικές μέθοδοι για την αποτελεσματικότερη εφαρμογή λιπασμάτων θα μπορούσαν να διασφαλίσουν ότι ένα υψηλότερο ποσοστό λιπάσματος καταλήγει στα φυτά ως οργανικό άζωτο.
Άλλες καινοτομίες θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη μείωση της απορροής, της έκπλυσης και της διάβρωσης, οι οποίες μεταφέρουν μεγάλο μέρος του αζώτου από τα φυτά και στα υπόγεια και επιφανειακά ύδατα. Ακόμα άλλες καινοτομίες θα μπορούσαν να επικεντρωθούν στη μείωση των εκπομπών αερίων από τα εδάφη και τα συστήματα νερού. Κέρδη απόδοσης θα μπορούσαν επίσης να προέλθουν από την ανακύκλωση οργανικών αποβλήτων.
Η κοπριά θεωρήθηκε ανέκαθεν ως αποτελεσματικό λίπασμα, αλλά οι αποστάσεις που χωρίζουν τις κτηνοτροφικές εκμεταλλεύσεις και τα γαλακτοκομεία από τα εδάφη όπου φυτεύονται οι καλλιέργειες καθιστούν την μεταφορά κοπριάς ακριβή.
Επιπλέον, τα απόβλητα κοπριάς και τροφίμων έχουν το δικό τους σύνολο περιβαλλοντικών προκλήσεων, συμπεριλαμβανομένου του ρόλου τους ως πηγών ισχυρών αερίων του θερμοκηπίου όπως το μεθάνιο και το οξείδιο του αζώτου.
Οι τεχνικές προκλήσεις περιλαμβάνουν την εύρεση τρόπων συλλογής αυτών των αερίων για χρήσιμους σκοπούς και τη μετατροπή της κοπριάς σε σφαιροποιημένο οργανικό λίπασμα.
Χρειάζονται λύσεις που εστιάζονται σε ολοκληρωμένους τρόπους μείωσης των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου και άλλων αερίων από απόβλητα, ενώ ταυτόχρονα βελτιώνουν τις δυνατότητές τους ως λιπάσματα που μεταφέρονται οικονομικά.
Κατά την αντιμετώπιση του προβλήματος του κύκλου αζώτου, οι ειδικοί πρέπει να θυμούνται ότι τα λιπάσματα και η γεωργία έχουν διαδραματίσει κεντρικό ρόλο στην ενίσχυση της παγκόσμιας παραγωγής τροφίμων, συμβάλλοντας στην αποφυγή της μαζικής πείνας σε πολλές περιοχές του κόσμου.
Οι προσπάθειες για τον μετριασμό της γεωργικής διαταραχής του κύκλου αζώτου ενδέχεται να έχουν ως αποτέλεσμα την αύξηση του κόστους των τροφίμων, επομένως τέτοια μέτρα πρέπει να ληφθούν σε συνδυασμό με τις προσπάθειες περιορισμού των επιπτώσεών τους στους ανθρώπους που ζουν σε συνθήκες φτώχειας.
Σεπτέμβριος 2021
Μιχαήλ Τσαγκατάκης
Βιβλιογραφικές αναφορές
C. Driscoll et al., “Ρύπανση από άζωτο στις βορειοανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες: Πηγές, αποτελέσματα και επιλογές διαχείρισης,” BioScience 53 (2003), σελ. 357-374.
K. Fisher and WE Newton, «Nitrogen Fixation», Εγκυκλοπαίδεια Εφαρμοσμένων Φυτικών Επιστημών (Elsevier, 2004), σελ. 634-642.
Galloway et al., Bioscience 53 (2003), σελ. 241.
RW Howarth, “Ο κύκλος αζώτου”, Εγκυκλοπαίδεια της Παγκόσμιας Περιβαλλοντικής Αλλαγής, Τομ. 2, Το σύστημα της Γης: Βιολογικές και οικολογικές διαστάσεις της παγκόσμιας περιβαλλοντικής αλλαγής (Chichester: Wiley, 2002), σελ. 429-435.
RW Howarth et al., “Θρεπτική ρύπανση παράκτιων ποταμών, όρμων και θάλασσας”, Issues in Ecology 7 (2000), σελ. 1-15.
RW Howarth et al., Ecosystems and Human Wellness, Vol. 3, Πολιτικές απαντήσεις, The Millennium Ecosystem Assessment (Washington, DC: Island Press, 2005), Κεφάλαιο 9, σελ. 295-311.
DA Jaffe και PS Weiss-Penzias, «Nitrogen Cycle», Εγκυκλοπαίδεια των Ατμοσφαιρικών Επιστημών (Elsevier, 2003), σελ. 205-213.
Εθνικό Συμβούλιο Έρευνας, καθαρά παράκτια νερά: Κατανόηση και μείωση των επιπτώσεων της ρύπανσης από θρεπτικά συστατικά (Washington, DC: National Academies Press, 2000) Robert H. Socolow, «Διαχείριση αζώτου και το μέλλον της τροφής: Μαθήματα από τη διαχείριση της ενέργειας και του άνθρακα», Proc. Νatnl. Acad. Επιστήμη USA 96 (Μάιος 1999), σελ. 6001-6008. “Αντιδραστικό Ν στο περιβάλλον”, UNEP, 2007. “Νο 4: Ανθρώπινη μεταβολή του κύκλου αζώτου: Απειλές, οφέλη και ευκαιρίες”, Συνόψεις πολιτικής της UNESCO-SCOPE (2007).
Κοντοπούλου, Χάρις – Κωνσταντίνα του Δημητρίου, Γεωπονικό Πανεπιστήμιο, 2015, “Εφαρμογή αζωτοδεσμευτικών βακτηρίων σε συμβατικό, βιολογικό και υδροπονικό σύστημα καλλιέργειας νωπού φασολιού (Phaseolus vulgaris L.) και επιπτώσεις της στην παραγωγή, τη βιολογική αζωτοδέσμευση και τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου”.
NAE GRAND CHALLENGES FOR ENGINEERING.