Cykl azotu i jego wpływ na środowisko – jak nawozy zmieniają naszą planetę
Azot to jeden z najważniejszych pierwiastków potrzebnych do życia – rośliny, zwierzęta, a nawet my sami nie moglibyśmy bez niego istnieć. W naturze azot krąży w specjalnym procesie zwanym cyklem azotowym, który dba o to, by ten pierwiastek był dostępny tam, gdzie jest potrzebny. Jednak od czasu wynalezienia procesu Habera-Boscha, który pozwala na produkcję nawozów sztucznych z azotu atmosferycznego, sytuacja trochę się skomplikowała.
Azot – kluczowy pierwiastek dla życia
Azot to jeden z podstawowych składników budulcowych wszystkich organizmów żywych. Rośliny potrzebują go do tworzenia białek, enzymów i kwasów nukleinowych, a także do produkcji chlorofilu, który umożliwia fotosyntezę. Problem w tym, że w atmosferze azot występuje w formie cząsteczkowej (N₂), która jest dla roślin biologicznie niedostępna. Aby go przyswoić, rośliny muszą polegać na bakteriach glebowych, które przekształcają azot w przyswajalne formy, takie jak azotany (NO₃⁻) lub amoniak (NH₃). Te naturalne procesy są jednak dość powolne, co ograniczało rozwój upraw. Dlatego od zawsze poszukiwano metod, które przyspieszyłyby dostarczanie roślinom niezbędnego azotu.
Azot jest jednym z najważniejszych pierwiastków potrzebnych do życia, ponieważ jest składnikiem białek i DNA. Ziemska atmosfera składa się z niego w 78%.
Cykl azotowy w przyrodzie
Cykl azotowy to naturalny proces, dzięki któremu azot krąży w przyrodzie i zmienia się w różne formy, które mogą być wykorzystywane przez rośliny, zwierzęta i mikroorganizmy.
W cyklu azotowym azot atmosferyczny (N₂), który w tej formie jest niedostępny dla roślin, jest przekształcany przez mikroorganizmy wiążące azot — takie jak bakterie z rodzaju Rhizobium, niektóre sinice czy promieniowce. Mikroorganizmy te posiadają enzym nitrogenazę, który umożliwia przekształcenie gazowego azotu w amoniak (NH₃), a następnie w związki organiczne, takie jak glutamina. Te przekształcone formy azotu mogą być już wykorzystywane przez rośliny jako składniki odżywcze. Proces ten odgrywa kluczową rolę w naturalnym nawożeniu gleby i jest niezbędny dla prawidłowego funkcjonowania ekosystemów.
Bakterie azotowe żyją w symbiozie z roślinami.
Następnie azot przechodzi przez kolejne etapy – jest wykorzystywany przez organizmy, a po ich śmierci i rozkładzie wraca do gleby lub powietrza, gdzie cały proces zaczyna się od nowa. Cykl azotowy jest kluczowy dla utrzymania równowagi ekosystemów i zdrowia roślin.
Niestety, nie wszystko trafia do roślin – aż połowa wprowadzanego do gleby azotu „ucieka” w formie tlenków azotu (NO2), które są gazami cieplarnianymi. To tak, jakbyśmy dodawali do atmosfery kolejne warstwy koca, które zatrzymują ciepło i powodują zmiany klimatu.
Nowo zakładane akwarium zazwyczaj nie posiada wystarczającej ilości korzystnych bakterii. Na początku, nawet w dobrze zbilansowanym akwarium, często pojawia się podwyższone stężenie amoniaku, które hamuje rozwój roślin. Dodatkowo rośliny mają trudności ze wzrostem z powodu braku azotanów, które są dla nich niezbędne. Amoniak sprzyja rozwojowi „dzikich” bakterii Nitrosomonas, które można znaleźć np. w kurzu czy piasku. Te bakterie przekształcają amoniak w azotyny, co z kolei stymuluje rozwój bakterii Nitrosospira, które produkują azotany. Jednak ich ilość jest tak duża, że rośliny nie nadążają ich wykorzystać, szczególnie gdy wcześniej zwiędły. Gdy wymieniamy wodę i sadzimy nowe rośliny, proces ten zaczyna się od początku, ponieważ wraz z wodą tracimy większość tych ważnych bakterii.
Autorstwa Mouagip, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11356874,
Rewolucja chemiczna w rolnictwie
Przełom przyniósł na początku XX wieku tzw. proces Habera-Boscha, który umożliwił przemysłową produkcję amoniaku z azotu atmosferycznego. Dzięki temu można było wytwarzać nawozy azotowe na masową skalę i niezależnie od naturalnych procesów biologicznych. To odkrycie zrewolucjonizowało rolnictwo, pozwalając uzyskać znacznie wyższe plony z tych samych pól. W okresie tzw. Zielonej Rewolucji w XX wieku nawozy azotowe były jednym z głównych motorów intensyfikacji produkcji rolnej, zwłaszcza w krajach rozwijających się. Pojawiła się nadzieja, że ludzkość poradzi sobie z problemem głodu. Niestety, efekty uboczne tej rewolucji zauważono dopiero po latach.
Proces Habera-Boscha został opracowany w latach 1905–1910 przez niemieckiego chemika Fritza Habera, który jako pierwszy zademonstrował możliwość syntezy amoniaku z azotu atmosferycznego i wodoru w warunkach laboratoryjnych. Jego metoda została następnie udoskonalona i przekształcona w skalę przemysłową przez Carla Boscha, inżyniera pracującego dla koncernu BASF. To właśnie dzięki jego rozwiązaniom inżynieryjnym — obejmującym wysokie ciśnienia, temperatury i odpowiednie katalizatory — proces stał się wykonalny na dużą skalę. Proces Habera-Boscha zapoczątkował erę nawozów syntetycznych i miał ogromny wpływ na rozwój rolnictwa, gospodarki i demografii XX wieku.
Azot łatwo ucieka – i nie znika bez śladu
Jednym z największych problemów nawozów azotowych jest to, że rośliny nie są w stanie wykorzystać ich w całości. Szacuje się, że nawet 40–70% zastosowanego azotu jest tracone – przemieszcza się do głębszych warstw gleby, ucieka do wód gruntowych albo ulatnia się do atmosfery. Nadmiar azotu w środowisku nie znika – wpływa na cykle biochemiczne, pogarsza jakość wody i przyczynia się do zmian klimatycznych (np. przez emisję tlenków azotu – NOx). Jest to strata nie tylko środowiskowa, ale także ekonomiczna – rolnicy ponoszą koszty nawożenia, które nie przekładają się w pełni na plony. Dodatkowo azot w środowisku nie działa obojętnie – uruchamia lawinę niekorzystnych zjawisk. To, co miało być wsparciem dla rolnictwa, stało się jednym z jego największych wyzwań.
Azotany w wodzie – cichy truciciel
Azotany są bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie, dlatego łatwo przemieszczają się do warstw wodonośnych i trafiają do wody pitnej. Ich obecność w wodzie w wysokim stężeniu może być groźna, zwłaszcza dla niemowląt, u których mogą powodować tzw. sinicę (methemoglobinemia). Azotany przekształcone w organizmie mogą również tworzyć związki rakotwórcze, takie jak nitrozoaminy. Co więcej, nadmiar azotu trafiający do jezior i rzek powoduje eutrofizację, czyli nadmierny rozwój glonów i sinic, które wyczerpują tlen w wodzie i prowadzą do śmierci organizmów wodnych. Powstają tzw. „martwe strefy”, gdzie życie praktycznie zanika. W efekcie cierpią zarówno ekosystemy, jak i ludzie – poprzez problemy zdrowotne i środowiskowe.
Podsumowując, choć sztuczne nawozy zwiększają plony i pomagają wyżywić świat, ich nadmierne używanie ma swoje ciemne strony. Azot, który „ucieka” z pól, przyczynia się do zmian klimatu, zanieczyszczenia wód i zagrożeń zdrowotnych. Dlatego tak ważne jest, by stosować nawozy z rozwagą i szukać rozwiązań, które będą przyjazne dla środowiska.
Wymuszona zmiana podejścia
Przez długie lata nie przejmowano się stratami azotu – nawozy były tanie i powszechnie dostępne, więc ich nadużywanie nie budziło kontrowersji. Dopiero alarmujące wyniki badań o skażeniu wód i negatywnym wpływie na zdrowie ludzi zmusiły naukowców, rolników i decydentów do zmiany podejścia. Unia Europejska i wiele krajów zaczęło wprowadzać regulacje ograniczające stosowanie nawozów azotowych i promujące bardziej zrównoważone metody uprawy. Rosnąca świadomość społeczna również wywarła presję na zmiany – konsumenci coraz częściej pytają o pochodzenie żywności i jej wpływ na środowisko. Zaczęto również lepiej analizować tzw. „koszty ukryte” intensywnej produkcji rolniczej. Rolnictwo musi dziś nie tylko produkować żywność, ale robić to odpowiedzialnie i bez dewastacji przyrody.
Czas na mądre rolnictwo
Obecnie coraz większą popularnością cieszy się podejście agroekologiczne, które stawia na równowagę między produkcją a ekosystemem. Obejmuje to precyzyjne nawożenie, uprawy wiążące azot (np. rośliny motylkowate), płodozmian, kompostowanie i ograniczenie monokultur. Celem jest zamknięcie obiegu pierwiastków w gospodarstwie, tak aby jak najmniej azotu uciekało do środowiska. Permakultura i rolnictwo regeneratywne to przykłady praktycznych systemów, które uczą jak współpracować z naturą, a nie ją kontrolować. Warto też wspierać małych rolników, którzy często są bardziej elastyczni i otwarci na ekologiczne rozwiązania. Dziś potrzebujemy rolnictwa, które nie tylko karmi ludzi, ale i chroni planetę.
CIEKAWOSTKA: Badania naukowców i praktyków permakultury wykazały, że zastosowanie ściółki prowadzi również do wyższej zawartości materii organicznej w glebie, a tym samym zwiększa biomasę mikroorganizmów, różnorodność funkcjonalną mikroorganizmów glebowych i obieg azotu. Wyższa zawartość materii organicznej w glebie prowadzi do wyższych i bardziej stabilnych plonów w rolnictwie.
Opracowanie własne na podstawie:
- [1] https://pl.wikipedia.org/wiki/Obieg_azotu_w_przyrodzie
- [2]GOSPODAROWANIE AZOTEM JAK SPROSTAĆ TEMU WYZWANIU? https://doradca-rolniczy.pl/wp-content/uploads/2019/04/Gospodarowanie-azotem-Agrosimex-2022-ER.pdf
- [3] https://encyklopedia.pwn.pl/haslo/Habera-i-Boscha-metoda;3909298.html
- [4] Pan, G.; Smith, P.; Pan, W. The role of soil organic matter in maintaining the productivity and yield stability of cereals in China. Agric. Ecosyst. Environ. 2009, 129, 344–348.
- [5] Krebs J, Bach S. Permaculture—Scientific Evidence of Principles for the Agroecological Design of Farming Systems. Sustainability. 2018; 10(9):3218. https://doi.org/10.3390/su10093218
