В усилията на света за намаляване на емисиите на парникови газове източникът на нашата храна идва в центъра на вниманието. Има основателна причина за това: Селското стопанство представлява 16 до 27% от причинените от човека емисии, затоплящи климата. Но голяма част от тези емисии не са от въглероден диоксид, този познат злодей на климатичните промени. Те са изцяло от друг газ: азотен оксид (N2O), пише списание Knowable.
Известен още като газ за смях, N2O не получава почти нужното внимание, казва Дейвид Кантер, изследовател на замърсяването с хранителни вещества в Нюйоркския университет и заместник-председател на Международната азотна инициатива – организация, фокусирана върху изследванията на азотното замърсяване и разработването на политики. „Това е забравен парников газ“, казва той.
И все пак N2O е около 300 пъти по-мощен от въглеродния диоксид при нагряване на атмосферата. И подобно на CO2, той е дълголетен, прекарвайки средно 114 години в небето, преди да се разпадне. Освен това изчерпва озоновия слой. Като цяло въздействието на смеещите се газове върху климата не е шега. Учени от Междуправителствената група за изменение на климата (IPCC) са изчислили, че азотният оксид съставлява приблизително 6% от емисиите на парникови газове, а около три четвърти от тези емисии на N2O идват от селското стопанство.
Но въпреки важния си принос за изменението на климата, емисиите на N2O до голяма степен са игнорирани в политиките за климата . И газът продължава да се натрупва. Преглед на източниците на азотен оксид през 2020 г. установи, че емисиите са се увеличили с 30% през последните четири десетилетия и надвишават всички сценарии на потенциални емисии, освен най-високите, описани от IPCC. Селскостопанската почва – особено поради интензивното използване на синтетичен азотен тор по света – е основният виновник.
Днес учените търсят различни начини за обработка на почвата или коригиране на земеделските практики, за да се намали производството на N2O.
„Всичко, което може да се направи за подобряване на ефективността на използването на торове, би било с голямо значение“, казва Майкъл Кастелано, агроеколог и почвен учен от държавния университет в Айова.
Дебалансиране на азота
Човечеството е нарушило баланса на азотния цикъл на Земята. Преди възхода на съвременното селско стопанство, повечето азот, наличен в растенията, е идвал от компост, тор и фиксиращи азот микроби, които поемат азотен газ (N2) и го превръщат в амоний, разтворим хранителен елемент, който растенията могат да поемат през корените си. Всичко това се промени в началото на 1900 г. с дебюта на химичния процес на Хабер-Бош, който осигури индустриален метод за производство на огромни количества амонячен тор.
Това изобилие от синтетични торове е повишило добивите и е помогнало за изхранването на хората по света, но този излишък на нитрати и амоний носи разходи за околната среда. Производството на амонячен тор представлява около 1% от цялото световно потребление на енергия и 1,4% от емисиите на CO2 (процесът изисква нагряване на азотен газ и подлагането му на налягане до 400 атмосфери, така че е много енергоемко). По-важното е, че торът води до повишени емисии на азотен оксид, тъй като фермерите са склонни да прилагат азота в своите полета в няколко големи партиди през годината и културите не могат да използват всичко това.
Когато корените на растенията не усвоят този тор, част от него изтича от полето и замърсява водните пътища. Това, което остава, се консумира от поредица от почвени микроби, които превръщат амоняка в нитрит, след това в нитрат и накрая обратно в N2 газ. N2O се произвежда като страничен продукт в няколко точки по време на този процес.
В почвата наистина живее златна мина
Внимателното разпределяне на тор точно когато растенията се нуждаят от него или намирането на начини за поддържане на добивите с намален азотен тор би намалило тези емисии на N2O. Учените търсят различни начини да го направят. Една от изследваните стратегии е да се използват техники за прецизно земеделие , които използват технология за дистанционно наблюдение, за да се определи къде и кога да се добавя азот в полетата и колко. Друг е да се използват инхибитори на нитрификацията, химикали, които потискат способността на микробите да превръщат амоняка в нитрат, възпрепятствайки създаването на N2O и поддържайки азота в почвата, за да могат растенията да го използват за по-дълъг период от време.
Широкото възприемане на тези две практики би намалило емисиите на азотен оксид с около 26% от сегашната им траектория до 2030 г., според оценка на изследователите от Международния институт за приложен системен анализ в Австрия за 2018 г. Но авторите казват, че ще е необходимо повече от това, за да помогнат за постигането на целите за парникови газове като тези, определени в Парижкото споразумение. И така, учените проучват допълнителни стратегии.
Почвени разтвори
Единият вариант включва използването на потенциала на някои микроби за директно снабдяване с азот на растенията, подобно на това, което азотфиксиращите бактерии вече правят в партньорство с боб, фъстъци и други бобови растения. „В почвата наистина живее златна мина“, казва Исай Салас-Гонсалес, автор на статия за растителния микробиом в Годишния преглед на микробиологията през 2020 г.
В този смисъл от 2019 г. компанията Pivot Bio пуска на пазара микробен продукт, наречен Pivot Bio Proven, който, според тях, образува симбиоза с корените на културите, след като инокулант се излее в браздите, където са засадени царевични семена. (Компанията планира да пусне подобни продукти за сорго, пшеница, ечемик и ориз.) Микробите изпускат азота малко по малко в замяна на захари, изтичащи от растението, намалявайки нуждата от синтетичен тор, казва Карстен Темме, шеф изпълнителен директор на Pivot Bio.
Темме казва, че учените от компанията са създали инокуланта, като са изолирали щам на бактерията Kosakonia sacchari, който вече е имал способности за фиксиране на азот в генома си, въпреки че въпросните гени не са били естествено активни при полеви условия. Използвайки технология за редактиране на гени, учените успяха да активират набор от 18 гена, така че бактерията създава ензима нитрогеназа дори в присъствието на синтетичен тор. „Ние ги принуждаваме да започнат да произвеждат този ензим“, казва Теме.
Стивън Хол, биогеохимик от държавния университет в Айова, сега тества продукта в големи контейнери, в които расте царевица. Изследователите прилагат инокуланта, заедно с различни количества синтетичен тор, върху почвата и измерват добивите от царевица, производството на азотен оксид и колко нитрати се извличат от основата на контейнерите. Въпреки че резултатите от опита все още не са публикувани, Хол казва, че има „добра първоначална подкрепа“ за хипотезата, че микробите намаляват нуждата от тор, като по този начин намаляват емисиите на азотен оксид.
Или пък насърчаване на съществуващите в почвата полезни микроби
В едно полево проучване на пшеница, например, инокулирането на посевите с полезни микроби засилва растежа на растенията, но води до малко по-големи добиви . Неизвестните обаче преобладават – като например дали микробите ще повлияят негативно на почвената екология или ще бъдат надминати от местните микроби.
Вместо да добавяте микроби, може да има по-голям смисъл да насърчите растежа на желаните микроби, които вече съществуват в почвата, казва Каролайн Ор, микробиолог от университета Teesside във Великобритания. Тя установява, че намаляването на употребата на пестициди е довело до по-разнообразна микробна общност и по-голямо количество естествено фиксиране на азот . В допълнение, производството на азотен оксид се влияе от наличието на въглерод, кислород и азот – и всички се влияят от коригиране на използването на торове, напояване и оран.
Вземете например обработка на почвата. Анализ на повече от 200 проучвания установи, че емисиите на азотен оксид са се увеличили през първите 10 години, след като фермерите са спрели или намалили орането на земята си. Но след това емисиите са намалели. Йохан Сикс, съавтор на анализа и агроеколог от ETH Zürich, Швейцария, смята, че това е така, защото почвите влизат в силно уплътнено състояние след години на обработване. С течение на времето обаче необезпокояваната почва образува структура, подобна на бисквитка, която позволява да влезе по-голямо количество въздух. И в среда с висок кислород микробите произвеждат по-малко азотен оксид. Такива системи без обработка водят и до по-голямо съхранение на въглерод, тъй като по-малкото оран означава намалено превръщане на органичния въглерод в CO2 – като по този начин осигурява допълнителна полза за климата.
Възможно е дори фермерите да спестят пари за торове и вода и да намалят емисиите, като същевременно запазят добивите.
В изследване на ферми за домати в Централната долина на Калифорния, Сикс установява, че парцели с намалена обработка на почвата и система за капково напояване, която бавно влива азот в растенията, намалява емисиите на N2O със 70% в сравнение с конвенционално управлявани парцели. Земеделският производител, който приложи тези промени, също беше компенсиран за намаляването на своите парникови газове чрез държавната програма за ограничаване и търговия с емисии. С правилните стимули убеждаването на фермерите да намалят емисиите си може да не е толкова трудно, казва Сикс.
В Мисури фермерът Андрю Маккреа отглежда 2000 акра царевица и соя. Тази година той планира да намали употребата на торове и да види дали с инокуланта Pivot Bio може да запази добивите си горе-долу същите. „Мисля, че всички фермери със сигурност се грижат за почвата“, казва той. „Ако можем да намалим разходите, това също е чудесно.“
И ако политиците се насочат към справяне с азотния оксид, трябва да има страхотни ползи за всички нас, казва Кантер от Нюйоркския университет. Някои от тях биха могли да бъдат по-бързи и осезаеми от справянето с изменението на климата. Същите мерки, които понижават нивата на N2O, също намаляват местното замърсяване на въздуха и водите, както и загубите на биологично разнообразие. „Това са неща, които хората ще видят и почувстват веднага“, казва Кантер, „в рамките на години, а не на десетилетия или векове.“
