Κάθε φορά που μιλάμε για επικίνδυνα αέρια του θερμοκηπίου το μυαλό μας, σχεδόν αυτόματα, πηγαίνει στο διοξείδιο του άνθρακα και στο μεθάνιο. Ωστόσο, υπάρχει ακόμη ένα είδος ρύπανσης που αναμφισβήτητα συνιστά ένα από τα πιο δύσκολα διαχειρίσιμα περιβαλλοντικά προβλήματα της εποχής μας: η ρύπανση από άζωτο.
Η ανθρώπινη δραστηριότητα επηρεάζει τον κύκλο του αζώτου (N) σοβαρότερα από τον κύκλο του άνθρακα (C). Στην πραγματικότητα, ο κύκλος του Ν είναι ίσως αυτός που επηρεάζεται περισσότερο από όλους τους σημαντικούς βιογεωχημικούς κύκλους παγκοσμίως, επιφέροντας σοβαρές επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία, στη βιοποικιλότητα και στην ποιότητα του αέρα και του νερού.
Η αμμωνία και τα οξείδια του αζώτου-που παίζουν σημαντικό ρόλο στην κλιματική αλλαγή-συμβάλλουν στη δημιουργία αιωρούμενων σωματιδίων και όξινης βροχής που προκαλούν αναπνευστικά προβλήματα και καρκίνους στους ανθρώπους, αλλά και εκτεταμένες ζημιές σε δάση και κτίρια. Ειδικά, το υποξείδιο του αζώτου είναι ένα ιδιαίτερα ισχυρό αέριο του θερμοκηπίου, που εμφανίζει 300 περίπου φορές μεγαλύτερη ικανότητα παγίδευσης της θερμότητας στην ατμόσφαιρα από το διοξείδιο του άνθρακα.
Η κλιματική κρίση ενισχύει τις ανεπιθύμητες επιδράσεις του N, αλλά και το αντίστροφο. Σύμφωνα με μια μελέτη του περιοδικού Science, η κλιματική κρίση, αναμένεται να αυξήσει την ποσότητα αζώτου που καταλήγει στα ποτάμια και σε άλλες υδάτινες οδούς των ΗΠΑ κατά 19% κατά μέσο όρο μέχρι το τέλος αιώνα, και σε μεγαλύτερο ποσοστό σε περιοχές που έχουν πληγεί σοβαρά, ιδίως στον ποταμό Μισισιπή (αύξηση 24%) και στα βορειοανατολικά (αύξηση 28%), χωρίς να συνυπολογίζονται πιθανές αυξήσεις στις εισροές αζώτου από την εντατικοποίηση της γεωργίας ή από την αύξηση του ανθρώπινου πληθυσμού.
unsplash
Δυστυχώς, μια οδυνηρή διαπίστωση της εποχής μας είναι ότι τα μέσα στα οποία βασιζόμαστε για να κάνουμε τη ζωή μας πιο άνετη μπορούν και να μας σκοτώσουν. Είμαστε εξαρτημένοι από το άζωτο και από τα λιπάσματα που μας τρέφουν και φαίνεται τώρα ότι ο συνδυασμός της κλιματικής αλλαγής και της ρύπανσης από το άζωτο πολλαπλασιάζει τις πιθανότητες να δούμε σοβαρές καταστροφές στον κόσμο γύρω μας τα επόμενα χρόνια.
Όμως με κάποιο τρόπο πρέπει να καλλιεργήσουμε περισσότερα τρόφιμα για να θρέψουμε τον αυξανόμενο παγκόσμιο πληθυσμό, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τα προβλήματα που σχετίζονται με τη χρήση των αζωτούχων λιπασμάτων.
Το απαραίτητο συστατικό
Το άζωτο είναι ένα απαραίτητο δομικό στοιχείο για τα αμινοξέα, τις πρωτεΐνες και το DNA των κυττάρων. Είναι ένα στοιχείο με μεγάλη σπουδαιότητα για τη ζωή και το περιβάλλον και τα φυτά έχουν θεμελιώδη εξάρτηση από αυτό, καθώς είναι το θρεπτικό στοιχείο που χρειάζονται στις μεγαλύτερες ποσότητες για να επιτελέσουν τις βιολογικές τους διεργασίες. Τα ζώα και οι άνθρωποι προσλαμβάνουν το απαραίτητο άζωτο από τροφές φυτικής και ζωικής προέλευσης.
Το αέριο άζωτο (N2) αποτελεί το 78% του αέρα που αναπνέουμε, αλλά δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα από τα φυτά. «Τα φυτά προσλαμβάνουν το άζωτο στην επιθυμητή μορφή μέσω λιπασμάτων που παρασκευάζονται με ανάμιξη του αζώτου της ατμόσφαιρας με αέριο υδρογόνο υπό τεράστια πίεση (200 φορές μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής πίεσης). Αυτή είναι η πίεση που θα νιώθαμε αν καταδυόμασταν στα 2.000 μέτρα (∼6.500 πόδια) κάτω από τη θάλασσα, απόσταση μεγαλύτερη από 6 Πύργους του Άιφελ στοιβαγμένους τον ένα πάνω στον άλλο! Υπολογίζεται ότι κάθε χρόνο προστίθενται στο έδαφος παγκοσμίως περισσότερο από 150 εκατομμύρια τόνοι συνθετικών λιπασμάτων, για τη διαχείριση της τροφοπενίας του αζώτου που επηρεάζει την αύξηση και την ευρωστία των φυτών. Και να σκεφτεί κανείς ότι το 1961 η χρήση αζωτούχων λιπασμάτων περιοριζόταν στους 11 εκατομμύρια τόνους παγκοσμίως!», περιγράφει η Επίκουρη Καθηγήτρια Περιβαλλοντικής Μικροβιολογίας του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας, κα. Ευαγγελία Παπαδοπούλου.
Στην πραγματικότητα, το άζωτο από τα λιπάσματα αντιπροσωπεύει τώρα περισσότερο από το ήμισυ της πρωτεΐνης στην ανθρώπινη διατροφή. Ωστόσο, περίπου το 50% του εφαρμοζόμενου αζώτου στα χωράφια χάνεται στο περιβάλλον μέσω της εξάτμισης με την μορφή αμμωνίας (3-21%) ή μέσω της έκπλυσης στα υπόγεια νερά (νιτρορύπανση) με την μορφή των νιτρικών ιόντων (13%), είτε καταλήγει στην ατμόσφαιρα ως υποξείδιο του αζώτου (12%).
Με την αύξηση της χρήσης των αζωτούχων λιπασμάτων μέσα στον χρόνο, αυξάνονται και αυτές οι απώλειες. Το άζωτο που χάνεται προκαλεί μεγάλης κλίμακας ζημιά και θα προκαλέσει ακόμη μεγαλύτερη εάν δεν περιοριστούν οι απώλειές του. Το χαμένο άζωτο βλάπτει επίσης τους αγρότες, καθώς μειώνει δυνητικά την παραγωγή των καλλιεργειών ή προκαλεί σπατάλη λιπασμάτων. Η βλάβη είναι πιο σοβαρή για τους μικροκαλλιεργητές στις αναπτυσσόμενες χώρες, όπου τα αζωτούχα λιπάσματα απορροφούν συχνά το μεγαλύτερο κόστος της γεωργίας. Η μειωμένη παραγωγή από το χαμένο άζωτο μπορεί να αντιπροσωπεύει έως και το 25% του εισοδήματος των νοικοκυριών.
Αντιμέτωποι με έναν αυξανόμενο πληθυσμό και με ένα μεταβαλλόμενο κλίμα, χρειαζόμαστε περισσότερο από ποτέ να βελτιστοποιήσουμε τη χρήση του αζώτου και να ελαχιστοποιήσουμε τις απώλειες. Η λύση στην πρόκληση του αζώτου θα πρέπει να προέλθει από έναν συνδυασμό τεχνολογικής καινοτομίας, πολιτικής και δράσεων για τους καταναλωτές, εκτιμούν οι επιστήμονες.
Επιστροφή στο αγρόκτημα
Μια διαδικασία που συμβάλλει σημαντικά στις απώλειες αζώτου και επομένως στην κλιματική αλλαγή και στη ζημιά στα οικοσυστήματα είναι η νιτροποίηση (μετατροπή της αμμωνίας σε νιτρικά ιόντα). Για αυτό, ερευνητές και αγρότες στοχεύουν τώρα στη μείωση των απωλειών αζώτου μέσω της διαχείρισης της νιτροποίησης.
«Οι απώλειες των εφαρμοζόμενων αζωτούχων λιπασμάτων οφείλονται κυρίως στη δράση μιας συγκεκριμένης ομάδας μονοκύτταρων μικροοργανισμών (βακτηρίων και αρχαίων) που ονομάζονται νιτροποιητές, οι οποίοι μετατρέπουν το αμμωνιακό άζωτο σε νιτρικό. Αν επιβραδυνθούν αυτές οι μικροβιακές μετατροπές, τότε θα επιτευχθεί μια πιο αποτελεσματική διαχείριση του αζώτου στο έδαφος και θα περιοριστεί το περιβαλλοντικό αποτύπωμα των συνθετικών λιπασμάτων», εξηγεί η κα. Παπαδοπούλου.
Αυτή η επιβράδυνση μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση μιας σειράς χημικών ενώσεων που ονομάζονται παρεμποδιστές νιτροποίησης και που χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με αζωτούχα λιπάσματα. Πρόκειται για ένα μικρό αριθμό ενώσεων που εμφανίζουν μεγάλες διακυμάνσεις στην αποτελεσματικότητά τους (ανάλογα με το έδαφος που εφαρμόζονται). Ωστόσο, ελάχιστα είναι γνωστά για τον μηχανισμό δράσης τους, την περιβαλλοντική τους τύχη και τις πιθανές τοξικές επιδράσεις τους στο περιβάλλον.
Τους παρεμποδιστές νιτροποίησης τοποθετούν κάτω από το μικροσκόπιο ερευνήτριες και ερευνητές από το Τμήμα Βιοχημείας και Βιοτεχνολογίας και το Τμήμα Περιβάλλοντος του Πανεπιστήμιου Θεσσαλίας, οι οποίοι αναπτύσσουν καινοτόμες και φιλικές προς το περιβάλλον στρατηγικές για την αύξηση της αποτελεσματικότητας των αζωτούχων λιπασμάτων και τον περιορισμό του περιβαλλοντικού τους αποτυπώματος.
«Υπήρξαν συναρπαστικές παρατηρήσεις ριζικών συστημάτων ορισμένων φυτών που αναστέλλουν τη νιτροποίηση. Αυτό άνοιξε μια επιλογή διαχείρισης για την επιβράδυνση των ρυθμών νιτροποίησης στο περιβάλλον χρησιμοποιώντας γενετικές προσεγγίσεις. Η χρήση βιολογικών παρεμποδιστών νιτροποίησης που παράγουν τα φυτά μέσω των ριζών τους αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη πρακτική για την επιβράδυνση του κύκλου του αζώτου και τον περιορισμό της κλιματικής αλλαγής», λέει ο Καθηγητής Περιβαλλοντικής Μικροβιολογίας και Βιοτεχνολογίας του Τμήματος Βιοχημείας και Βιοτεχνολογίας, του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας κ. Δημήτριος Καρπούζας, συμπληρώνοντας πως η συγκεκριμένη ερευνητική ομάδα αναζητά νέους καινοτόμους συνθετικούς και βιολογικούς παρεμποδιστές νιτροποίησης με προοπτική άμεσης χρήσης στην σύγχρονη γεωργική πρακτική.
O Καθηγητής Περιβαλλοντικής Μικροβιολογίας και Βιοτεχνολογίας του Τμήματος Βιοχημείας και Βιοτεχνολογίας, του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας κ. Δημήτριος Καρπούζας
Η ομάδα έχει ήδη ανακαλύψει έναν νέο συνθετικό παρεμποδιστή νιτροποίησης με εξειδικευμένη δράση έναντι των νιτρωδοποιητικών αρχαίων και, σε συνεργασία με άλλες ερευνητικές ομάδες από την Αυστρία, τη Γαλλία και τον Καναδά, μελετά τον μηχανισμό δράσης του σε βιοχημικό επίπεδο. Παράλληλα συνεργάζεται με ιδιωτικούς φορείς για την ανάπτυξη νέων λιπασμάτων που θα εμπεριέχουν μίγματα παρεμποδιστών νιτροποίησης ή νέους βιολογικούς παρεμποδιστές νιτροποίησης με στόχο την αξιοποίηση στον μέγιστο βαθμό της αζωτούχου λίπανσης στη γεωργία και τον περιορισμό του περιβαλλοντικού της αποτυπώματος.
Οι ερευνητικές αυτές δράσεις συντονίζονται από το Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας και χρηματοδοτούνται από την ΕΕ μέσω του προγράμματος ACTIONr συνολικού προϋπολογισμού €1.5 εκατ. αλλά και μέσω ιδιωτικών φορέων όπως το Grantham Foundation, ΗΠΑ ($1.1 εκατ.) που επενδύει σε αυτή την προσπάθεια αλλά και γενικότερα στην ανάπτυξη νέων καινοτόμων εργαλείων και στρατηγικών για τον περιορισμό της κλιματικής αλλαγής.
«Αυτό που αξίζει να αναφερθεί είναι ότι η ερευνητική ομάδα μας διαθέτει μια από τις πλουσιότερες συλλογές νιτροποιητικών μικροοργανισμών παγκοσμίως. Βάσει αυτής της συλλογής έχει αναπτύξει μια σειρά καινοτόμων εργαλείων και υπηρεσιών για την αξιολόγηση νέων παρεμποδιστών νιτροποίησης αλλά και για την ανάλυση της οικοτοξικότητας νέων βιοκτόνων ενώσεων όπως γεωργικά και κτηνιατρικά φάρμακα», καταλήγει ο Καθηγητής Καρπούζας
