Со страниц специализированных научных изданий и средств массовой информации звучат все более тревожные сообщения о глобальном изменении климата. Политики борются за принятие новых законодательных мер по уменьшению выбросов углекислого газа в атмосферу, ученые разрабатывают методики его консервации и переработки.
В то же время почти никто, за исключением узкого круга специалистов, не интересуется другими антропогенными выбросами, так же существенно влияющими на целостность глобальных и локальных экосистем и напрямую затрагивающими здоровье миллиардов людей. Речь идет о соединениях азота и их круговороте в природе.
В последнем выпуске журнала Science две группы ученых опубликовали статьи, в которых подвергли детальному анализу проблему накопления соединений азота в атмосфере, почвах, береговых водах океанов и открытых водных просторах. Накопление происходит и в результате выработки электроэнергии на тепловых электростанциях, где сжигание огромных количеств углеводородных топлив приводит к выбросу оксидов азота, и при выращивании растительного продовольствия и кормов для животных, потребляющего год от года все больше азотных удобрений.
Главный вывод ученых – накопление соединений азота в природе оказывает сильное влияние на парниковый эффект, виновником которого совершенно незаслуженно считают один лишь CO2.
Однако в случае азотистых соединений картина бедствий существенно богаче: соединения азота также являются причиной городского смога, они же виноваты в повышении кислотности дождевых осадков, появлении так называемых «мертвых зон» в океанах и сокращении толщины озонового слоя.
По словам руководителя одной из научных групп, профессора Университета Вирджинии Джеймса Гэлоуэя, мало кто понимает, что проблема выбросов активных нитросоединений в окружающую среду имеет такую же важность и масштаб, как и проблема увеличения атмосферной концентрации СО2. Более того, она куда сложнее и многогранней, так как в ходе круговорота в природе азот, кроме инертной формы, молекулы N2, может переходить из ряда окисленных форм в восстановленные и реагировать с другими компонентами атмосферы.
Важнейшими являются NO и NO2, остальные - N2O, N2O3, N2O4, N2O5 и пары HNO3, существенно менее устойчивы и быстро переходят в другие формы соединений азота.
Существуют естественные источники оксидов азота - бактериальная активность в почве, грозы, извержения вулканов. Основным антропогенным источником их являются процессы горения при температуре выше 1000°С (автотранспорт и стационарные источники).
Оксиды азота занимают второе место после диоксида серы по вкладу в увеличение кислотности осадков. В дополнение к косвенному воздействию (кислотный дождь), длительное воздействие диоксида азота в концентрации 470-1880 мкг/м3 может подавлять рост некоторых растений (например, томатов). Значимость атмосферных эффектов оксидов азота связана с ухудшением видимости. Диоксид азота играет важную роль в образовании фотохимического смога.
Оксиды азота могут отрицательно влиять на здоровье людей сами по себе и в комбинации с другими загрязняющими веществами. Пиковые концентрации действуют сильнее, чем интегрированная доза. Кратковременное воздействие 3000-9400 мкг/м3 диоксида азота вызывает изменения в легких. Помимо повышенной восприимчивости к респираторным инфекциям, воздействие диоксида азота может привести к повышенной чувствительности к бронхостенозу (сужение просвета бронхов) у чувствительных людей. Исследования показали, что для болеющих астмой и аналогичных больных повышается риск отрицательных легочных эффектов при содержании диоксида азота значительно меньшем, чем тот, на который не наблюдается реакция у здоровых людей.
Оценке глобальных последствий накопления в природе избыточных количеств соединений азота и была посвящена публикация Гэлоуэя и его коллег. Они представили целостную картину циркуляции соединений азота в природе и сумели смоделировать не только прирост их концентрации в перспективе на грядущие 20 лет, но и провести расчет их влияния на экосистемы и здоровье человеческой цивилизации.
Читателям, знакомым с английским языком, рекомендуем ознакомиться с флэш-анимацией, созданной учёными, которая отлично иллюстрирует негативные эффекты самых разных сторон хозяйственной деятельности человека с участием азотных соединений.
В своей инертной форме молекулы N2 азот составляет примерно 78% земной атмосферы. Однако выброс каждой лишней молекулы активного азотистого соединения в форме газов – оксидов или аммиака, или растворов азотсодержащих солей — приводит к каскаду событий в окружающей среде, каждое из которых сказывается на балансе различных экосистем и здоровье людей.
Например, молекула диоксида азота, выброшенная из трубы ТЭЦ, может закончить свой путь в лесных массивах или пресных водоемах в форме молекулы азотистой кислоты, убивающей водных обитателей и насекомых. Попав в береговую зону морских вод, эта же молекула может вызвать так называемый красный прилив – цветение динофлагеллатов, микроорганизмов красного цвета, вызывающих появление «мертвых зон», лишенных всякой жизненной активности.
А попав в атмосферу в форме закиси азота, известного всем «веселящего газа» N2O, азот вовлекается в прямые реакции разрушения озонового слоя Земли. Существует еще множество других примеров негативного воздействия нитросоединений на живые системы. Касается это и аммонийных солей, вносимых в почву в качестве удобрений.
Впервые осознание того, что масштабная сельскохозяйственная деятельность с применением азотных удобрений может нарушить природный баланс круговорота азота, пришло к ученым ещё 40 лет назад.
Однако людям до сих пор не только не удалось добиться снижения потерь азотистых соединений в агрохозяйстве, но и просто научиться быть рачительными хозяевами земли.
В одних регионах нашей планеты – например, в сельскохозяйственной Европе – огромный перерасход азотных удобрений позволяет развитым странам экспортировать продовольствие в те регионы, где по каким-то причинам, часто экономическим, использование удобрений не практикуется. Эта нелепая ситуация (очень выгодная, впрочем, для европейских стран) выливается в повышенное содержание нитратов и в поставляемой пище, и в европейской земле.
неорганические и органические азотосодержащие вещества, которые вносят в почву для повышения урожайности. К минеральным азотным удобрениям относят амидные, аммиачные и нитратные. Азотные удобрения получают главным образом из синтетического аммиака с применение процесса окисления атмосферного азота по процессу Габера-Боша. Из-за высокой мобильности соединений азота его низкое содержание в почве часто лимитирует развитие культурных растений, поэтому внесение азотных удобрений вызывает большой положительный эффект.
Из всех типов удобрений азотные наиболее подвержены воздействию со стороны почвенных микроорганизмов. В первую неделю после внесения до 70% массы удобрения потребляется бактериями и грибами (иммобилизуются), лишь после их гибели входящий в их состав азот может использоваться растениями.
Большие потери азота удобрений происходят из-за выноса легкорастворимых нитратов и солей аммония из почвы в результате выпадения осадков, в ходе денитрификации , когда азотистые соединения восстанавливаются или окисляются до инертной газообразной формы Т2 и улетучиваются, а так же из-за нитрификации, в ходе которой образуются растворимые соли азотистой и азотной кислот, легко выносимые из почвы дождями и системой орошений полей. В итоге коэффициент использования удобрений растениями редко достигает 50%, их применение может вызывать эвтрофикацию близлежащих водоёмов, означающую чрезмерное увеличение интенсивности развития микроорганизмов и практически полное угасание иных форм жизни. Образующийся в ходе денитрификации N2O является сильным парниковым газом.
Если публикация Гэлоуэя носит скорее систематизирующий характер, то работа второй научной группы, опубликованная в том же номере Science, касается последних измерений концентрации нитросоединений в водах мирового океана.
Оказалось, что прирост антропогенных соединений азота в водах приводит к ускоренному росту фитопланктона на 3% каждый год и, соответственно, ускоренному поглощению углекислого газа из атмосферы. Таким образом, человечество, удобряя почвы, невольно удобряет и мировой океан, что выливается в его повышенную биологическую продуктивность и повышение скорости поглощения углекислого газа. В то же время ученые, руководимые профессором Робертом Дьюсом из Техасского университета, полагают, что за этим благотворным влиянием скрывается и негативный фактор выделения в атмосферу закиси азота, газа, так вносящего свой вклад в парниковый эффект.
Первая группа вопросов – это судьба азотистых соединений, попадающих во внешний мир. На данный момент ученые могут обоснованно сказать, что примерно 18% всех выбрасываемых в окружающий мир азотистых соединений превращаются в инертный азот в результате биологического усвоения его в береговых зонах океанов, 13% растворяется в водах открытого океана, 4% растворяется в атмосфере в форме N2O. Таким образом, остается еще 65% от общего количества азотистых соединений, механизмы усвоения которых биосферой и природными процессами совершенно неизвестны. Они могут поглощаться грунтовыми водами или растительностью или вовсе преобразовываться в инертную форму молекулярного азота, однако точного ответа никто не знает.
Вторая группа касается влияния соединений азота на глобальные климатические условия. Соединения азота могут быть напрямую вовлечены в формирование озонового слоя через прямые реакции закиси азота, приводящие к формированию О3 или разрушение через реакции стратосферного озона с NO и NO2 на поверхности микрочастичек льда. Сложность в оценке этих явлений заключается в том, что и N2O и NO c NO2 выбрасываются в атмсоферу в процессе сжигания угля одновременно. Какой из процессов будет превалировать – формирование ли азота или его разложение, зависит от многих дополнительных условий и пока достаточно достоверному предсказанию не поддается. Гэлоуэй предрекает постепенное восстановление озонового слоя к 2020 году.
Кроме того, оксиды азота способны повлиять на мировой баланс парниковых газов взаимодействуя с СО2 и метаном. К тому же увеличение концентрации азотистых соединений в воздухе и почвах может вызвать в ряде регионов (особенно в тропиках) бурный рост растительности, что может значительно повлиять на баланс поглощаемого и вырабатываемого биосферой углекислого газа. Этот блок климатических вопросов так же таит в себе пока что массу неясностей.
Отдельная группа вопросов касается тропического региона, так как он содержит в себе наибольшее количество разнообразных представителей флоры и фауны, и здесь же проявятся наиболее сильно климатические изменения. «Газета.Ru» уже писала о неожиданной смертельной угрозе для теплолюбивых животных со стороны глобального повышения температуры окружающей среды. В том, что ничего хорошего для тропиков в кислотных дождях и загрязнении пресных водоемов нет сомневаться не приходится, осталось только оценить масштабы угрозы.
Не обошел стороной Гэлоуэй прямые угрозы человеческому здоровью со стороны соединений азота. То, что 40% современного населения Земли – около 2,5 миллиардов человек – живут исключительно за счет азотистых удобрений – ни для кого не секрет. Однако постоянные концентрации, пусть даже на уровне десятых объемной миллионной доли, в атмосфере токсичных оксидов азота и аммиака способны сильно подточить здоровье населения и сократить продолжительность жизни. Загрязнение питьевой воды солями азотной и азотистой кислот имеет те же последствия. По мнению Гэлоуэя, здесь прежде всего необходимо предусмотреть меры по защите населения, так как увеличение выбросов азотистых соединений в атмосферы в грядущие несколько десятилетий видится неизбежным.
Выделение в отдельную группу вопросов выработки биотоплив выглядит спорным, однако Гэлоуэй аргументирует это большим объемом удобрений используемых в выращивании кукурузы и сахарного тростника, которые и перерабатываются в биоэтанол. Известно, что усвоение вносимых в почву удобрений в лучшем случае происходит на 30% а в ряде случаев не превышает и 10%. Неусвоившиеся соединения азота продолжают свой путь в круговороте азота самостоятельно – впитываются в почву, просачиваются в подземные водоемы, разлагаются микроорганизмами и улетают в атмосферу, вымываются дождями и попадают в реки, откуда берут путь на мировой океан. Как видно, это воздействие на биосферу носит глобальный характер, и нарастающие объемы производства биотоплив требуют очень бережного отношения к земле.
Комплексность проблемы антропогенных выбросов нитросоединений означает, что в данном случае нельзя обойтись простой стратегией уменьшения выбросов и консервирования излишков, как это предлагается в случае СО2. Каскадные процессы взаимных превращений нитросоединений и участие их в совершенно различных природных и промышленных реакциях заставляет смотреть на проблему сразу со всех сторон.
Тем не менее, Гэлоуэй сумел предложить несколько направлений мер, призванных сдержать увеличение выбросов нитросоединений в атмосферу.
В первую очередь, эти меры подразумевают контроль и уменьшение выбросов оксидов азота – NO,N2O и NO2 в атмосферу. Технологии уже сегодняшнего дня позволят снизить выбросы азота в такой форме с 25 Мт до 7 Мт в год. Увеличение способности растений усваивать природный азот методами генной инженерии или какими-либо простыми агротехническими усилиями снизит выбросы азотистых соединений еще на 15 Мт в год. Еще на 15 Мт азота ежегодные выбросы можно сократить, если надлежащим образом обрабатывать отходы животноводства. Ну и, наконец, если хотя бы у половины всего городского населения Земли, составляющего на сегодняшний день примерно 3,2 миллиарда человек, был доступ к системам водоочистки, в окружающий мир выбрасывалось бы на 5 Мт азотистых соединений меньше.
Гэлоуэй планирует создать для каждого жителя планеты календарь учета персональных выбросов азотистых соединений, доступ к которому будет осуществляться через всемирную сеть. Их можно уменьшить, контролируя режим энергопотребления в домашнем хозяйстве, употребляя пищу, выращенную в собственном регионе, и отдавая предпочтение вегетарианскому меню, а не мясным продуктам.
Как показала практика, мировая экономическая система пока еще мало готова к контролю и уменьшению выбросов углекислого газа, влияние которого на климат планеты на сегодняшний день не вызывает вопросов. Сможет ли общественность адекватно воспринять алармистский настрой Международной азотной инициативы — увидим.
