У світі вирішення проблеми, що стосується скорочення викидів парникових газів, потрапляє в центр уваги. Для цього є вагома причина: на сільське господарство припадає від 16 до 27% викидів, спричинених кліматичним потеплінням. Але велика частина цих викидів утворюється не з вуглекислого газу, який є знайомим лиходієм кліматичних змін. Переважно відбуваються також викиди газу N2O.
N2O також відомий як звеселяючий газ. «Наразі, він майже не отримує тієї уваги, на яку заслуговує», – говорить Девід Кантер, дослідник забруднення поживними речовинами в університеті Нью-Йорка і заступник голови Міжнародної азотної ініціативи, організації, орієнтованої на дослідження забруднення азотом та розробку політики. “Це забутий парниковий газ”, – каже він.
Молекула N2O приблизно в 300 разів потужніша за діоксид вуглецю при нагріванні атмосфери. Як CO2, так і N2O виснажують озоновий шар. Вчені Міжурядової комісії з питань зміни клімату підрахували, що оксид азоту займає приблизно 6% викидів парникових газів, і три чверті цих викидів N2O припадає на сільське господарство. Але, незважаючи на свій важливий внесок у зміну клімату, викиди N2O ігноруються в політиці клімату. Тому цей газ продовжує накопичуватися. Огляд 2020 року джерел оксидів азоту та поглиначів показав, що викиди зросли на 30% за останні чотири десятиліття і перевищують усі допустимі норми потенційних викидів. Сільськогосподарський ґрунт, для якого інтенсивно використовуються синтетичні азотні добрива є головним джерелом викидів.
Синтетичні добрива є великим джерелом викидів N2O у сільському господарстві
Сьогодні вчені розглядають кілька способів обробки ґрунту або коригування практики землеробства, щоб скоротити викиди N2O.
Незбалансований азот
Людство вивело з ладу кругообіг азоту на Землі. До піднесення сучасного сільського господарства більшість рослинних азотних сполук на фермах надходили з компосту, гною та азотфіксуючих мікробів, які використовують газ N2 і перетворюють його в амоній, розчинну поживну речовину, яку рослини можуть поглинати через своє коріння. Все змінилося на початку 1900-х років, коли дебютував процес Хабер-Боша, який передбачив промисловий метод отримання величезної кількості аміачного добрива. Ця велика кількість синтетичних добрив збільшила врожайність сільськогосподарських культур та допомогла прогодувати людей по всьому світу, але надлишок нітратів та амонію спричиняє великі екологічні проблеми. На виробництво аміачних добрив припадає близько 1% всього світового споживання енергії та 1,4% викидів СО2 (процес вимагає нагрівання азотного газу та впливу на нього тиску до 400 атмосфер, тому він дуже енергоємний). Що ще важливіше, добриво сприяє збільшенню викидів оксиду азоту, оскільки фермери, як правило, вносять азот на свої поля кількома великими партіями протягом року, а рослини не можуть використовувати його всю кількість.
Коли коріння рослин не вбирає всіх поживних речовин із добрив, виділяється парниковий газ N2O
Коли коріння рослин не вбирає все добриво, частина його витікає з поля і забруднює водні шляхи. Все, що залишається, споживається послідовно ґрунтовими мікробами, які перетворюють аміак у нітрит, потім нітрат і, нарешті, назад у газ N2. N2O виробляється як побічний продукт у декількох вище згаданих процесах.
Ретельне дозування добрив, коли рослини цього потребують або пошук способів зберегти врожайність із зниженим вмістом азотних добрив зменшить викиди N2O. Вчені розглядають різні способи вирішення цієї проблеми. Однією із досліджуваних стратегій є використання методів точного землеробства, які використовують технологію дистанційного зондування, щоб визначити, де, коли і скільки додати азотних добрив у поля. Іншим є використання інгібіторів нітрифікації, хімічних речовин, які пригнічують здатність мікробів перетворювати аміак на нітрат, перешкоджаючи утворенню N2O та зберігаючи азот у ґрунті для використання рослинами, протягом більш тривалого періоду часу.
Широке застосування цих двох практик дозволить зменшити викиди оксиду азоту приблизно на 26% від їх поточної траєкторії до 2030 року, згідно з оцінкою дослідників Міжнародного інституту прикладного системного аналізу в Австрії на 2018 рік. Тому, вчені вивчають додаткові можливі способи вирішення проблеми.
Грунтові розчини
Один із варіантів передбачає використання потенціалу певних мікроорганізмів для безпосереднього надходження азоту до рослин, як це роблять азотфіксуючі бактерії. “У ґрунті справді живе золотий рудник”, – каже Ісай Салас-Гонсалес, автор статті про мікробіом рослин у щорічному огляді мікробіології 2020 року та обчислювальний біолог, який нещодавно здобув ступінь доктора філософії в Університеті Північної Кароліни в Чапел-Гілл.
З 2019 року компанія Pivot Bio продає на ринку мікробний продукт під назвою Pivot Bio Proven, який, за їхніми словами, утворює симбіоз з корінням культур після того, як інокулянт заливають у борозни, де висаджують насіння кукурудзи (компанія планує випускати подібні продукти для сорго, пшениці, ячменю та рису).
Temme каже, що вчені компанії створили інокулянт, виділивши штам бактерії Kosakonia sacchari, який вже мав здатність фіксувати азот у своєму геномі, хоча ці гени, природно, не були активними в польових умовах. Використовуючи технологію редагування генів, вченим вдалося реактивувати набір з 18 генів, завдяки чому бактерія утворює фермент нітрогеназу, навіть у присутності синтетичного добрива.
Мікроорганізми в ґрунті розщеплюють аміак, шляхом серії реакцій, виділяючи в процесі N2O, який можна виміряти в полі
Стівен Холл, біогеохімік з Університету штату Айова, зараз випробовує продукт у великих контейнерах розміром в смітник, в яких росте кукурудза. Дослідники застосовують інокулянт разом із різною кількістю синтетичних добрив у ґрунті та вимірюють урожай кукурудзи, утворення оксиду азоту та кількість нітратів, що вимивається з основи контейнерів. Хоча результати випробувань ще не опубліковані, Холл каже, що існує “хороша початкова підтримка” для гіпотези, згідно з якою мікроби зменшують потребу в добривах, тим самим зменшуючи викиди оксиду азоту.
No-till
Деякі ґрунтознавці та мікробіологи скептично ставляться до швидкого виправлення мікроорганізмів. «Такі “біодобрива” мають неоднозначний успіх, залежно від ґрунту та середовища, в якому вони застосовуються», – говорить Tolu Mafa-Attoye, аспірант екологічної мікробіології з Університету Гуелфа в Канаді. Наприклад, в одному польовому дослідженні пшениці, інокуляція посівів корисними мікроорганізмами посилила ріст рослин, але призвела тільки до трохи більшої врожайності.
На виробництво оксиду азоту впливає наявність вуглецю, кисню та азоту – і все це впливає на регулювання використання добрив, зрошення та оранки. Візьмемо, наприклад, обробку ґрунту. Аналіз понад 200 досліджень показав, що викиди оксиду азоту збільшились у перші 10 років після того, як фермери зупинили або скоротили оранку своїх земель. Але після цього викиди впали. Johan Six, співавтор аналізу та агроеколог з ETH Zürich (Швейцарія), вважає, що це відбулось тому, що ґрунти починають знаходитися в сильно ущільненому стані після багатьох років експлуатації. Однак з часом непорушений грунт утворює структуру, яка дозволяє пропускати велику кількість повітря. В середовищі з високим вмістом кисню мікроби виробляють меншу кількість оксиду азоту.
Перехід на мінімальну оранку може допомогти зменшити викиди N2O із ґрунтів
Фермери можуть навіть заощадити гроші на добривах та воді, та зменшити викиди, зберігаючи врожайність. У ході досліджень на томатних фермах в центральній долині Каліфорнії Six виявив, що вивчення ділянок зі зниженою обробкою та системою краплинного зрошення, яка повільно просочувала рослини азотом, знижували викиди N2O на 70% в порівнянні з традиційно обробленими ділянками.
У штаті Міссурі, фермер Andrew McCrea вирощує 2000 гектарів кукурудзи та сої. Цього року він планує скоротити використання добрив і перевірити, чи може інокулянт Pivot Bio зберегти його врожайність більш-менш незмінною. “Я думаю, що всі фермери, безумовно, дбають про грунт”, – говорить він. “Якщо ми зможемо скоротити витрати, це буде чудово”.
Якщо політичні діячі повернуться до боротьби з оксидом азоту, для нас усіх буде користь, вважає Kanter з університету Нью-Йорка. Ті заходи, що знижують рівень N2O, також зменшують місцеве забруднення повітря, води та втрати біорізноманіття. “Це речі, які люди побачать і відчують негайно, – каже Kanter.
Джерело інформації: https://www.bbc.com/future/article/20210603-nitrous-oxide-the-worlds-forgotten-greenhouse-gas
Інформацію підготувала Іванна ЛАПЧУК (студентка 4 курсу спеціальності 102 Хімія)