Может ли применение азотных удобрений нанести вред окружающей среде
Добавил пользователь Валентин П. Обновлено: 19.09.2024
Классические технологии растениеводства предполагали применение навоза в качестве главного и практически единственного удобрения, а борьбу с сорняками вели методом механической прополки. Но при таких технологиях достичь современных урожаев было невозможно. И когда сельское хозяйство вышло на промышленный уровень, встал вопрос о повышении урожайности и скорости созревания выращиваемых культур. Эта гонка продолжается и сегодня. Крупнейшие корпорации вкладывают миллионы долларов в исследования и разработку новых химических средств, делающих процесс выращивания сельскохозяйственных культур проще, а риски потери урожая меньше.
Существует два основных вида таких веществ – минеральные удобрения и средства борьбы с вредителями и сорняками.
Минеральные удобрения
Наиболее распространённые азотные, фосфорные и калийные удобрения. Но это не значит, что список вносимых в почву минеральных веществ ограничивается только этими тремя. Кальций, йод и многие другие элементы таблицы Менделеева также могут входить в состав конкретных удобрений.
Вдобавок ко всему, одной из важнейших экологических проблем, связанных с применением минеральных удобрений, является загрязнение грунтовых вод. Это связано и с низкой степенью усвояемости азота и фосфора растениями. Только 40% азота поглощается ими, а оставшиеся 60% - из почвы переходят в воду и испаряются в атмосферу. Фосфор усваивается лучше, но также далеко не полностью. Последствия этого довольно серьёзны – в водоёмах начинается бурный рост растительности, что приводит к их заболачиванию. А отмершие растения в процессе гниения выделяют метан и сероводород и сокращают количество кислорода в воде. Это приводит к мору рыбы. Да и в целом рыба живёт меньше, растёт не достаточно крупной, а накапливая нитраты – становится опасной для человека. Употребление такой рыбы в пищу может приводить к серьёзным заболеваниям желудка.
Выделение азота в атмосферу приводит к кислотным дождям, вредным как для человека, так и для природы. Они приводят к гибели жителей лесов, болезням деревьев, окислению металлов и разрушению строительных материалов.
Проблема очистки
Несмотря на то, что в состав конкретного минерального удобрения входит несколько необходимых для питания растений веществ, помимо них в удобрениях содержится ещё множество примесей. И часто это совсем небезопасные вещества – стронций, уран, цинк, свинец, ртуть, кадмий. Попадая в организм человека, они поражают почки, печень, кишечник и негативно влияют на работу кровеносной системы. Нормы безопасного потребления некоторых из этих веществ таковы: до 3,5 мг свинца, 0,6 мг кадмия, 0,35 мг ртути за неделю (для человека весом 70 кг.). Такое количество в теории организм может вывести без серьёзных последствий. Но в идеале, конечно же, они и вовсе не должны попадать в наш организм. Да вот только в реальности всё очень далеко от идеала. Если коровы паслись на территориях с избытком удобрений, то концентрация кадмия в 1 литре молока может достигать 17-30 мг!
Живой мир почвы
Последствия применения минеральных удобрений не ограничиваются только эрозией почвы и загрязнением воды. В самой почве живёт множество микроорганизмов. И за миллионы лет эволюции природа создала необходимый баланс между видами. Кроме микроорганизмов существует множество почвенных животных. И даже механизмы фотосинтеза напрямую зависят от процессов, происходящих в почвах. При большом насыщении почвы минеральными удобрениями некоторые виды бактерий гибнут, зато плодятся другие, адаптированные к потреблению азота. Из-за возникшего дисбаланса нарушается ряд биологических процессов, деградирует корневая система деревьев и весь животный мир почвы. Зато это освобождает место для многих вредителей, которые не боятся минеральных удобрений, и уже не имеют в такой почве естественных врагов.
Нитраты и нитриты
Кроме того сами химические вещества, далеко небезвредные для человека, с растениями попадают в наш организм. Нитраты – продукты переработки удобрений, в организме человека превращаются в нитриты. А это высокотоксичный канцероген. Под его воздействием гемоглобин превращается в метагемоглобин. Данное вещество не в состоянии переносить кислород по крови, что нарушает важнейшие процессы в организме. Норма содержания метагемоглобина в крови не более 2%. Под воздействием нитрозосоединений в организме человека возникают злокачественные опухоли, нарушается работа иммунной системы и повышается риск мутаций эмбриона.
Норма содержания нитратов в организме человека составляет 200-220 мг на 1 кг массы тела. В реальности, согласно ряду исследований в среднем мы получаем 150-300 мг, а иногда до 500 мг на 1 кг массы тела. В воде содержание нитратов не должно превышать 10 мг/л. Нюанс в том, что эти нормы уже неоднократно пересматривались. И, как правило, в сторону их увеличения. То есть чем больше применяется удобрений, и чем более явной становится эта проблема, тем более мягкими допустимые нормы содержания нитратов.
Качество продуктов
Ускоренный рост и созревание продуктов под воздействием минеральных удобрений имеет и обратную сторону – ухудшение их качества. Проявляется это в снижении содержания углеводов и увеличении количества сырого протеина в овощах. В картофеле снижается содержание крахмала, а в зерновых культурах нарушается баланс аминокислот. Сокращается и срок хранения продуктов.
Как защититься от нитратов?
Нужно понимать, что в определённых количествах нитраты не вредны для организма и даже могут быть переработаны им в полезные соединения. Но избыток нитратов неминуемо превращается в нитриты со всеми вытекающими последствиями. Поэтому, не имея доступа к экологически чистым продуктам, нужно придерживаться правил, которые помогут минимизировать количество потребляемых нитратов.
Во-первых, нужно знать о распределении нитратов в самих растениях. Так, в салатах и шпинате их большая часть содержится в жилках листьев, в капусте – в кочерыжке, в огурцах и редисе – в корешке, в патиссонах – в верхней части, в кабачках – в кожице и хвостике, в арбузах и дынях – в незрелой мякоти, прилегающая к коркам, в моркови – в сердцевине (до 90%), в свекле – в верхней части (до 65%). Количество нитратов увеличивается, если хранить овощи и соки при высокой температуре. Собирать урожай овощей стоит только, когда он полностью созрел и желательно во второй половине дня. Такие временные колебания также влияют на содержание нитратов.
Если говорить о количестве нитратов в разных овощах и фруктах, то больше всего их накапливается в свекле. Меньше нитратов в капусте, петрушке и луке. А совсем нет в спелых помидорах, красной и чёрной смородине.
Культура
Уровень
предельно
допустимой
концентрации
нитратов, мг/кг
Оптимальная
кислотность
почвы, pH
Отдельно стоит сказать о готовых салатах. Их нужно есть сразу после приготовления и заправлять желательно оливковым и подсолнечным маслом, потому что в сметане и майонезе активно размножаются бактерии, превращающие нитраты в нитриты. Влияет на этот процесс и перемена температуры – если вы много раз достаёте соки или салаты из холодильника на стол и через какое-то время убираете обратно. При приготовлении супа, из овощей нужно удалять все части с высоким содержанием нитратов. А потом овощи подержать в течение часа в 1% растворе соли. Также тушение овощей хорошо снижает количество нитратов в них. И в завершение приёма пищи полезно выпить зелёного чая или употребить аскорбиновую кислоту.
Все эти меры возможно и не позволят снизить концентрацию нитратов до минимума, но существенно обезопасят ваш организм от них.
Пестициды
До изобретения этих химических средств, методов борьбы с различными вредителями, заболеваниями и сорными растениями, в арсенале сельского хозяйства было весьма немного. С развитием химии уже в начале 20 века учёные начали создавать первые пестициды. На сегодняшний день их количество огромно – более 5000! Индустрия производства пестицидов прошла четыре поколения: хлорорганические, фосфорорганические, карбаматы и пиретроиды. Только последний класс считается безвредным для теплокровных, однако, по-прежнему весьма опасным для рыб. Поэтому его применение на полях вблизи водоёмов запрещено. Остальные классы пестицидов – токсичные химические вещества.
Существует множество классификаций пестицидов в зависимости от типа действия и направленности. Одни направлены на какой-то конкретный вид живых организмов, другие имеют более широкий спектр действия. У разных пестицидов разная степень системного воздействия на организм.
На сегодняшний день существует ряд пестицидов отнесённых к классу стойких органических загрязнителей (СОЗ). Среди них хлорорганические и ртутьсодержащие вещества, а также производные фурана. Самые распространённые альдрин, дильдрин, эндрин, мирекс, хлордан, гептахлор, гексахлорбензол, ДДТ и токсафен. То, что их применение запрещено законодательством многих стран не значит, что они нигде не применяются. Даже печально известный высокотоксичный ДДТ до сих пор применяется во многих странах мира. В частности он является эффективным средством борьбы с малярийными комарами.
Важно понимать, что распространение пестицидов может охватывать очень большие территории. К примеру, в 1960-е годы во время активного применения ДДТ, этот пестицид находили даже в организме пингвинов в Антарктиде! Это лишний раз показывает, что влияние пестицидов на окружающую среду может быть не только локальным, но и достигать планетарного масштаба. Как в случае с минеральными удобрениями они негативно влияют на почвы, воду, атмосферу и живые организмы. Но в отличие от минеральных удобрений, большинство пестицидов являются ядами в чистом виде. То есть даже незначительное их поступление в организм может привести к серьёзным негативным последствиям!
Вред пестицидов
Пестициды попадают в организм человека непосредственно с овощами и фруктами, в том числе с их поверхности, если плоды плохо вымыты. Из зерновых культур, так как они могут всасываться в них из почвы. Особенно эффективно они всасываются в сезон дождей. Могут пестициды попадать в организм человека с рыбой, если концентрация этих веществ в водоёме их обитания была высокой.
Попадая в организм человека пестициды способный вызвать отравление с летальным исходом. В малых дозах – это высокотоксичные канцерогены, вызывающие раковые заболевания, мутации и общее снижение иммунитета.
Воздействие на растения неоднозначно. Существуют виды, ранее не сталкивавшиеся с конкретным веществом, под воздействием которого в них нарушаются естественные обменные процессы и увеличивается накопление вредных веществ. Но есть и другой эффект – некоторые виды растений могут стать устойчивыми к пестицидам. У таких растений под воздействием некоторых пестицидов (в частности гербицидов) может начаться активный рост и повыситься урожайность.
Если в целом говорить о негативных последствиях применения пестицидов для окружающей среды, то они проявляются в нарушении естественных микробиоценозов почвы и воды, снижению биологической и пищевой ценности продуктов питания, возникновении устойчивости у микроорганизмов и вредителей, гибели и болезням животных и человека.
При использовании гербицидов необходимо:
- учитывать длительность их действия
- учитывать степень засоренности почвы сорняками
- учитывать кислотность, влажность, температуру и аэрацию почвы
- правильно рассчитывать дозу
- учитывать способность почвы самоочищаться
- качественно очищать тару и опрыскиватели
- учитывать фазы развития растений
- использовать для мульчи солому с чистых, необработанных пестицидами полей
- правильно выбирать пестициды и не заниматься их самостоятельным смешиванием
- избегать сноса пестицидов воздушными потоками во время опрыскивания
Чем больше применяется азотных удобрений в сельском хозяйстве, тем менее эффективно усваивают азот культурные растения и тем больше нагрузка на экологию. Результаты исследований китайских ученых показывают, что количество азотных удобрений можно сократить в три раза без ущерба для урожая.
Чем больше применяется азотных удобрений в сельском хозяйстве, тем менее эффективно его усваивают культурные растения и тем больше экологическая нагрузка на грунтовые воды, воздух и почву, уверены китайские ученые. Результаты их исследования, опубликованного в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показывают, что количество азотных удобрений можно сократить в три раза без ущерба для урожая.
За почти тридцатилетнюю историю развития китайского сельского хозяйства с 1977 по 2005 года производство зерновых на единицу площади удвоилось, однако эти показатели были достигнуты ценой увеличения объемов внесения азотных удобрений в почву с 7 миллионов тонн до 26,2 миллионов за тот же период времени.
Чжан и его коллеги изучили два типичных сельскохозяйственных региона Китая, в которых практикуется выращивание двух типов зерновых на одной и той же почве друг за другом: на востоке Китая в районе озера Тайху, где практикуют выращивание риса и пшеницы, и на северо-западе Китая, где распространено выращивание пшеницы и кукурузы.
Согласно полученным данным, от 20% до 50% всего азота, поступающего в почву с удобрениями, в зависимости от типа выращиваемых зерновых, уносится дождями или выветривается, и, в конце концов, сильно загрязняет окружающие грунтовые воды, и нарушает баланс водных экосистем. Часть азота выветривается и в форме оксида азота N2O.
В качестве альтернативы ученые предложили оптимальную стратегию внесения азотных удобрений в почву, с учетом естественной циркуляции азота в природе, а так же наиболее благоприятных для внесения удобрений стадий роста зерновых. В ходе полевых экспериментов Чжан и коллеги показали, что при сохранении существующих объемов производства зерновых количество вносимых азотных удобрений можно сократить в три раза.
В начале ХХ века немецкие химики Фриц Габер и Карл Бош разработали метод получения азота из воздуха и смешивания его с водородом. Это окажется одним из величайших научных достижений века.
Вместе эти два элемента образовали жидкий аммиак, ключевой ингредиент синтетических удобрений, который приведет к беспрецедентному развитию сельского хозяйства и поможет накормить быстрорастущий мир.
Но есть и обратная сторона. За последние 100 лет количество антропогенных соединений азота в воде, почве и воздухе увеличилось вдвое. Этот рост во многом обусловлен широким использованием синтетических удобрений.
Азот необходим для жизни на Земле, но его чрезмерное количество опасно, т.к. он является загрязнителем и отравляет водоемы, растения, животных и людей, способствуя изменению климата из-за выбросов сильного парникового газа – закиси азота. Хотя широкому кругу людей об этом почти неизвестно, эксперты называют избыток азота одной из самых серьезных угроз загрязнения, с которыми сегодня сталкивается человечество.
Фото: Эрик Вэнс
Проблемы
В начале ХIX века в природе почти не было антропогенных соединений азота. Однако спустя годы после прорыва Габера-Боша его уровень благодаря массовому потреблению синтетических удобрений, производству боеприпасов и сжиганию ископаемого топлива, при этом оба создают химически активные формы азота, начал стремительно расти.
Под угрозой оказалось и здоровье человека. Выбросы аммиака в сельском хозяйстве смешиваются с загрязнением транспортными выхлопными газами, создавая в воздухе опасные твердые частицы и обостряя респираторные заболевания, включая КОВИД-19. По результатам исследования, загрязнение воздуха может стать причиной увеличения смертности, связанной с заболеванием КОВИД-19, на 15 процентов.
Для того, чтобы остановить волну загрязнения азотом, правительства, компании и международные организации, включая Программу ООН по окружающей среде (ЮНЕП), совместно с учеными работают над исследованием угроз от использования азота и повышением информированности об этом.
С этой целью почти год назад государства-члены ООН одобрили Коломбскую декларацию об устойчивом управлении азотом, цель которой – сокращение азотных отходов вдвое от всех источников к 2030 году.
Тренд на экологизацию сельского хозяйства проявляется все активнее. Вслед за ужесточением требований в применении пестицидов последовали инициативы по запрету или сокращению применения отдельных видов удобрений. Эксперты полагают, что в недалеком будущем сельхозпроизводителям придется пересматривать свое отношение к внесению минеральных удобрений. А многие крупные компании-производители уже готовятся к таким переменам.
Оборотная сторона
Большинство сельхозкультур в США, России, Канаде и других странах выращиваются с использованием минеральных удобрений. Значительную часть из них составляют азотные удобрения. Без них урожайность многих сельхозкультур снижается на 30, а иногда и на 50%. Но все чаще эффект от применения удобрений сопоставляют с негативным воздействием на природу. Например, подсчитано, что годовое производство азотных удобрений только в США сопровождается выбросами, равными выхлопным газам двух миллионов автомобилей. И вредные выбросы в процессе производства – далеко не все негативные последствия.
Систематическое и массированное применение азотных удобрений под сельскохозяйственные культуры неумолимо приводит к нарушению оборота питательных веществ в природной среде. И это уже сейчас заметно в регионах интенсивного земледелия.
Стало очевидно, что требуется какой-то иной подход к питанию сельхозкультур. Поиск, внедрение и коммерциализация таких решений будет определять завтрашний день агробизнеса.
Полезные микробы
Профессор Шарон Доти, микробиолог из Вашингтонского университета говорит, что природа уже решила эту проблему. Шарон начала изучать ивы и тополя — деревья, растущие по берегам рек в почвах, чрезвычайно бедные азотом. Когда Доти исследовала ДНК эндофитов деревьев в лаборатории — обнаружились гены, указывающие на то, что микробы могут фиксировать азот. Ученые задались вопросом: можно ли использовать эндофиты для сельского хозяйства? Исследователи взяли саженцы сельскохозяйственных культур и пропитали их в ванной с эндофитами из тополей, а затем наблюдали за развитием рассады.
Растения с эндофитами имели более крупные корни и листья. А некоторые виды томатов и болгарского перца почти удвоили количество плодов, которые они произвели. Группа Шарон Доти полагает, что изучение эндофитов, находящихся во внутренних тканях тополя, также перспективно для создания микробных препаратов, восстанавливающих поля, загрязненные толуеном и тяжелыми металлами.
Хотя результаты многообещающие, американские исследователи понимают, что успех в лаборатории не всегда подтверждается в полевых условиях. Кроме того, нужно наладить промышленное производство таких микроорганизмов, чтобы они не были дорогими. Некоторые попытки разработать полезные микробы для сельского хозяйства потерпели неудачу именно из-за высоких издержек производства.
Полезные колонизаторы
В конце минувшего года еще две американские компании объявили о начале совместной работы по созданию новых микробных продуктов. Mosaic Company и BioConsortia, Inc. начали сотрудничество по разработке и выпуску азотфиксирующих микробных продуктов для кукурузы, пшеницы и других основных пропашных культур. В официальном релизе представители компании заявили:
Эндофитные бактерии, с которыми работают исследователи, способны заселять внутренние ткани растения, не вызывая его заболеваний и не оказывая отрицательного влияния на развитие. Интересно, что бактериальные эндофиты колонизируют те же экологические ниши, что и фитопатогенные микроорганизмы, поэтому их можно рассматривать еще и как потенциальный способ биоконтроля фитопатогенов.
Хранение, доверие, универсальность
Несмотря на активные интерес многих производителей удобрений и агрохимикатов к микробным продуктам, ожидать, что они заместят обычные удобрения в ближайшее время, не стоит. Производителям инновационных микробных продуктов придется решить еще несколько важных проблем. Одна из них — доверие сельхозпроизводителей новым технологиям. Например, выведенное на рынок биоудобрение BioGro, состоящее из нескольких штаммов полезных микроорганизмов, было эффективным в выращивании риса. Но фермеры не доверились разработке. В результате более половины компаний, производящих BioGro, не проработали в этом бизнесе и двух лет.
Вторая проблема - условия для хранения биопродуктов. Фермеры предпочитают покупать обработанные семена. Они остаются пригодными для использования даже при хранении в течение нескольких месяцев или лет. Созданные биопродукты более требовательны к условиям хранения и пока не могут сохранять свои свойства в течение длительного периода.
Другими словами, предстоит еще много работы, прежде чем эндофиты смогут серьезно потеснить традиционные удобрения. Но, судя по ситуации, это всего лишь вопрос времени.
Читайте также: