Lämmastik - sõber ja vaenlane

Hiljuti oli aega osaleda veel mõnel EdX/Coursera pakutaval kursusel ja ma jagaksin siin üht, mis puudutas lämmastikku: "Nitrogen: A Global Challenge". See on Edinburgi Ülikooli keskkonnakaitset puudutav kursus ja annab selgust kõigest, mis lämmastikuga seotud: nitraatidest, nitrititest,N oksiididest-dioksiididest, ammoniaagist jne. 

Kursuse lektoriks oli professor Dave Reay, PhD Hannah Ritchie (Our World of Data) poolt oli hulgaliselt asjassepuutuvat statistlist materjali. 

EdX kursuste puhul on ka mõned muudatused sellest ajast, kui viimati osalesin: jätkuvalt saab loenguid kuulata, materjale kasutada/alla laadida/salvestada tasuta, kuid sinu kursusematerjal EdX lehel on kättesaadav ainult loetud nädalad peale kursuse lõpetamist. Piiramatu kasutusaja saamiseks on vaja kursuse läbimist tõendav diplom (selle kursuse puhul 50 eur) välja osta.  Seekord ma diplomi eest ei tasunud, materjali salvestasin omale loengute käigus.  

Allpool väike ülevaade ja kokkuvõte sellest, mida üksikisik saab oma Lämmastiku jalajälje vähendamiseks teha...

Lämmastik on keemiline element. Kuigi esmapilgul igav, on see üks levinumaid elemente – 78% õhust, mida me praegu sisse hingame, koosneb lämmastikust. Lämmastik on üks enim alahinnatud elemente.

Lisaks sellele, et lämmastik on üks Maa kõige levinumaid elemente, on sellel mitmeid ootamatuid kasutusviise. Oma mittereaktiivses dilämmastiku vormis (N₂) on lämmastik krüogeensuses – materjalide külmutamisel väga madalatel temperatuuridel – hädavajalik. Vedelat lämmastikku kasutatakse mitmesuguste objektide, sealhulgas vere, geenide ja ravimite säilitamiseks meditsiinis, toiduainetööstuses ja muudes tootmisprotsessides.

Kõige laiem kasutusala on siiski reaktiivses vormis leiduvale lämmastikule. Tegelikult on reaktiivne lämmastik loomse ja taimse materjali oluline ehitusmaterjal. Elu eksisteerib siin lämmastikualuste kujul, mis moodustavad DNA ja RNA nukleiinhapped. Ilma reaktiivse lämmastikuta ei eksisteeriks elusorganisme.

Reaktiivsel lämmastikul on palju rakendusi ka peale rolli DNA-s. Reaktiivset vormi tuntakse dilämmastikoksiidina (N₂O) või mõnikord ka "naerugaasina" selle sissehingamisel tekkivate eufooriliste mõjude tõttu. Dilämmastikoksiidil on meditsiinis oluline kasutusala, kuna see toimib anesteetikumina või valuvaigistina kirurgiliste või hambaraviprotseduuride ajal. Seda kasutatakse ka sisepõlemismootorites, suurendades lennukimootorite, võidusõiduautode ja raketikütuse võimsust. Selle plahvatusohtlikkus on ilutulestiku loomisel ülioluline.

Peamised toidukultuurid, nagu nisu, riis ja mais, on tegelikult väga lämmastikunäljased ja iga järjestikuse saagikoristuse korral eemaldatakse osa mullas olevast lämmastikust. Kui seda piisavalt kaua nii tehakse, hakkavad põllukultuurid kannatama, nende kasv aeglustub ja saak väheneb järk-järgult.

Jäätmed, nagu põhk, sisaldavad suhteliselt väikeses koguses lämmastikku ja võib kuluda mitu kuud, enne kui need lagunevad piisavalt, et pakkuda endas sisalduvat lämmastikku. Sõnnik võib olla lämmastikurikkam, kuid moodustab siiski vaid väikese osa sellest, mis oli algselt koristatud saagis. Selleks, et põld saaks lõpmatuseni head saaki anda, on vaja uut lämmastikuallikat ja just siin tuleb tsüanobaktereid jäljendav keemiline maagia, mis on ubade ja nende suurema perekonna – kaunviljade – päralt.

Inimkond on alati sõltunud lämmastikust, kuid maailma rahvastiku kiire kasv 19. ja 20. sajandil nõudis juurdepääsu reaktiivsele lämmastikule koguses, mida looduslike varude suurus lihtsalt ei toetanud. Kui peaksime jätkuvalt toetama kasvavat elanikkonda, vajame oma põllukultuuride väetamiseks ja saagikuse suurendamiseks uut viisi reaktiivse lämmastiku loomiseks.  

Reaktiivne lämmastik on hädavajalik, kuid sellel on ka mitmeid puudusi. Need negatiivsed mõjud ilmnevad tavaliselt siis, kui meil on liiga palju lämmastikku vales kohas või liiga vähe õiges kohas. Seda illustreerib kõige täiuslikumalt allpool olev nn "koera pissihalo" (st koer on siia pissinud).

Keskel on lämmastiku kontsentratsioon liiga kõrge ja eluks sobimatu, hävitades tõhusalt seal varem kasvanud muru. Just väljaspool seda "surmatsooni" on kõige magusam koht: see on koht, kus reaktiivse lämmastiku kontsentratsioon on kõige optimaalsem. Nagu näete, vohab siin muru. Sealt edasi on reaktiivse lämmastiku kontsentratsioonid veidi madalamad, kuid siiski piisavalt head, et muru hästi kasvaks. Teisisõnu, liiga palju reaktiivset lämmastikku võib olla sama surmav kui selle puudumine. Võti peitub optimaalse koguse leidmises.

Millised on mõned lämmastiku negatiivsed mõjud?

Esimene on seotud dilämmastikoksiidi (N₂O) gaasi tootmisega. Dilämmastikoksiid on võimas kasvuhoonegaas (KHG) – peaaegu 300 korda võimsam kui kõige levinum kasvuhoonegaas, süsinikdioksiid (CO2). Seetõttu toimib see globaalse soojenemise peamise soodustajana. Kuidas aga tekib dilämmastikoksiidi põllumajanduses? Kui anname põllule reaktiivset lämmastikku (nt väetist), puhkeb võitlus meie saagi ja mullas leiduvate mikroobide vahel, kes samuti võistlevad lämmastiku pärast. Osa lämmastikust tarbib toitainena meie põllukultuur, osa aga kasutavad ära  mullamikroobid. Need mikroobid võivad meie kasutatava reaktiivse lämmastiku muuta/oksüdeerida dilämmastikoksiidiks protsessis, mida nimetatakse "nitrifikatsiooniks" või "denitrifikatsiooniks" (milline neist protsessidest toimub, sõltub keskkonnatingimustest). Kariloomad võivad samuti tekitada N₂O, eritades pinnasesse reaktiivset lämmastikku ja häirides mikroobide tegevust. Põllumajandus on seega suurim dilämmastikoksiidi tekitaja maailmas. Kuna meie nõudlus väetiste ja kariloomade järele suureneb (rahvastiku kasvu ning suurema nõudluse tõttu liha- ja piimatoodete järele), võivad kasvuhoonegaaside heitkogused jätkuvalt kasvada.

Teine vales kohas reaktiivse lämmastiku negatiivne mõju on õhukvaliteedi halvenemine. Reaktiivne lämmastik võib moodustada lämmastikoksiide (üldnimega NOx). Need gaasid võivad olla kohaliku õhusaaste peamiseks allikaks, moodustades sudu, happevihmasid ning toimides tahkete osakeste (PM) ja maapinna osooni peamise eelkäijana. Need gaasid võivad avaldada tõsist mõju inimeste tervisele, avaldades kahjulikku mõju hingamisteede haigustele. Õhusaaste tase – eriti linnapiirkondades – on peamine tervise- ja keskkonnaprobleem. Suurenenud linnastumisega kasvab see mure kogu maailmas.

Liiga palju lämmastikku vales kohas võib samuti oluliselt mõjutada bioloogilist mitmekesisust. Piirkondades, kus reaktiivse lämmastiku kontsentratsioon on kõrge, võivad teatud lämmastikku armastavad liigid õitseda, samas on teised liigid nendes tingimustes raskustes. Sel juhul võivad teatud liigid hakata keskkonda domineerima, hävitades kunagise bioloogilise mitmekesisuse. See toimub maismaaökosüsteemides. Kuid võib ilmneda ka veekeskkonnas, kui maismaal liigne lämmastik uhutakse sademete ja äravooluga veekogudesse. Kui lämmastik hakkab veekeskkonnas domineerima, võivad lämmastikku armastavad liigid, nagu sinivetikad, õitseda ja hakata domineerima vee ökosüsteemis. Mõnikord nimetatakse seda "vetikate õitsenguks" (algal blooms), need vetikad võivad tarbida palju veekogu hapnikust, tekitades nn "surnud tsoone". See omakorda võib olla  oluliseks sotsiaalseks ja majanduslikuks mõjutajaks, mis hävitab tõhusalt mõne kogukonna peamise toidu- või valguallika.

Kaks elementi, mis meie lämmastiku haldamisel käsikäes käivad, on toiduga kindlustatus ja kliimamuutused. Selleks et 2050. aastaks rahuldada 9–10 miljardi suuruse elanikkonna toitmine, on reaktiivne lämmastik hädavajalik. Kuid me teame ka, et meie põllumajandusliku lämmastiku kasutamine on peamine kasvuhoonegaaside tekitaja ja seega ka kliimamuutuste tõukejõud. Kliimamuutus võib omakorda avaldada tõsist mõju toiduga kindlustatusele, vähendades põllukultuuride saaki erinevates maailma piirkondades.  

Seetõttu võib lämmastikku pidada nii sõbraks kui ka vaenlaseks. Kumb sellest saab, sõltub sellest, kui tõhusalt me ​​seda kasutame – õiges koguses õigetes kohtades.

Lämmastik esineb paljudes keemilistes vormides, sealhulgas: orgaaniline lämmastik, ammoonium (NH₄+), nitrit (NO₂-), nitraat (NO₃-), dilämmastikoksiid (N2O), lämmastikoksiid (NO) või anorgaaniline lämmastik (N₂). Lämmastik võib muutuda ühest keemilisest vormist teise mitmete biootiliste (elusorganismide) ja abiootiliste (mittebioloogiliste) protsesside käigus.  

Lämmastik eksisteerib Maa atmosfääris inertses/mittereaktiivses gaasilises N₂ vormis. Sellisena on see enamiku eluvormide jaoks kättesaamatu, välja arvatud liblikõielised taimed (nagu oad ja herned). Kaunviljadel on võime "kinnistada" lämmastikku, mis tähendab, et neil on ensüümid, mis on võimelised ühendama inertse lämmastikgaasi vesinikuga, moodustades ammoniaagi ja lõpuks ka muid lämmastiku orgaanilisi vorme. Teine looduslik protsess, mis suudab lämmastikku "kinnitada", on äike.

Sünteetiliste väetiste kaudu toodetud lämmastiku kogus on praegu suurem kui meie pinnases looduslikult esinev kogus. Seetõttu on see ülioluline lisand meie kasvava elanikkonna vajaduste rahuldamiseks vajaliku saagikoguse kasvatamiseks. Arvatakse, et 2–3 inimest viiest ei eksisteeriks tänapäeval ilma selle võimeta täiendavaid lämmastikväetisi toota.

 

Lämmastikväetise tootmine on suhteliselt energiamahukas tööstuslik protsess ja võib seetõttu olla kulukas. See tähendab, et madala sissetulekuga riikides on see suur takistus nende kasutuselevõtule.  

Kõrgema sissetulekuga riigid, nagu Euroopa ja Põhja-Ameerika riigid, kipuvad kasutama oluliselt rohkem väetist kui madalama sissetulekuga riigid. Näiteks Suurbritannias kasutatatakse keskmiselt 160–170 kilogrammi hektari kohta. Võrrelge seda paljude Sahara-taguse Aafrika riikidega, kus väetist kasutatakse peaaegu nulli või mõne kilogrammi hektari kohta.

Põllumajanduses kasutatava lämmastiku kasutamise oluline mõõdik on määratletud kui "lämmastiku kasutamise tõhusus". Lämmastiku kasutamise tõhusus mõõdab, kui palju kasutatud lämmastikku taimed tegelikult kasvuks kasutavad/omatavad. Ülejäänud lämmastik jääb sageli üleliigseks lämmastiku kasutuseks ja võib tekitada keskkonnaprobleeme, sealhulgas veereostust. Näiteks hektarile nisusaagile pandi 100 kilogrammi väetist ja nisusaak võttis sellest lämmastikust vaid 40 kilogrammi, lämmastiku kasutamise efektiivsus oleks 40%.

Suure lämmastikukasutuse efektiivsusega süsteemides kasutab kultuur rohkem lämmastikväetist ja vähem läheb raisku üleliigse väetisena. Lämmastiku kasutamise tõhusus sõltub paljudest teguritest, sealhulgas põllukultuuri tüübist, mullatüübist, ilmastikutingimustest ja eriti põllumajandustootja põllumajanduslikust majandamisstrateegiast.

Vähe lämmastikku võib avaldada tugevat negatiivset mõju taimede kasvule ja saagikusele, kuid väetise ülekasutamine (st liiga palju andmine) avaldab  negatiivseid mõjusid, sealhulgas keskkonnareostust, raisatud energiat ja raisatud majandusressursse (kuna põllumees peab ostma väetist, mis ei aita kaasa põllukultuuride kasvule).

Kõige tavalisem kliimamuutustega seotud kasvuhoonegaas on süsinikdioksiid (CO2). Lisaks sellele on veel kasvuhoonegaasid dilämmastikoksiid (N2O) ja metaan (CH4), mis aitavad kaasa globaalsele soojenemisele.

Dilämmastikoksiidi toodavad mikroobsed bakterid, mis muudavad reaktiivse lämmastiku (nt ammoniaakväetis) denitrifikatsiooniks nimetatava protsessi kaudu N₂O-ks.

Dilämmastikoksiid on hoolimata sellest, et selle kontsentratsioon atmosfääris on palju väiksem kui süsinikdioksiidil, siiski oluline, kuna sellel on tugev soojendav toime. Me saame mõõta mõju, mida antud molekul avaldab kliimamuutustele, kasutades mõõdikut, mida nimetatakse globaalseks soojenemise potentsiaaliks (GWP). See mõõdik mõõdab 1 tonni gaasi soojendavat mõju võrreldes 1 tonni süsinikdioksiidi soojendava mõjuga teatud aja jooksul (tavaliselt 100 aasta jooksul). Süsinikdioksiidi puhul on GWP 1. Dilämmastikoksiid on võimas kasvuhoonegaas, mille GWP on 298. See tähendab, et ühel tonnil dilämmastikoksiidil oleks samasugune soojendav mõju kui ligi 300 tonnil süsinikdioksiidil.

Keskmiselt suudavad põllukultuurid sõltuvalt kohalikest tingimustest, põllukultuuri tüübist ja põllumajanduse majandamisstrateegiatest kasutada vaid umbes poole põllumaale antavast lämmastikväetisest, mõnel juhul võib see olla palju alla 50%. Lämmastiku kasutamise efektiivsust saab arvutada ka liha- ja piimatoodete tootmisel. Sel juhul ei loeta lämmastiku sisendiks mitte ainult karjamaadele antavaid lämmastikväetisi, vaid ka loomadele antava lisatoidu lämmastikusisaldust. Pealegi tuleb sel juhul tegelikult kasutatud lämmastikuna käsitleda lämmastikku, mis on muudetud biomassiks (lihas või piimas).

Põllumajanduslikul lämmastikul on kaks peamist allikat, mis mõlemad vabastavad dilämmastikoksiidi otseste ja kaudsete vahenditega. Taimede lämmastiku kasutamise efektiivsus on tavaliselt madal (sageli tublisti alla 50%), mis tähendab, et taimed ega loomad ei kasuta vähemalt poolt muldadele antavast lämmastikust.

Järelejäänud liigne lämmastik on mulla mikroobide jaoks kättesaadav, et need muutuksid denitrifikatsiooni teel dilämmastikoksiidiks. See protsess toimub olenemata sellest, kas toitaineid kasutatakse sünteetiliste väetiste või sõnniku kujul. Seda mullaprotsessi, mille tulemuseks on dilämmastikoksiidi emissioon, nimetatakse otseheiteks (direct emissions).

Kuid mitte kogu see liigne lämmastik ei jää pinnasesse, kuhu see pandi. Kui pinnas on veega läbi imbunud või on palju sademeid, võib see lämmastik kanduda veeteedesse, näiteks jõgedesse, järvedesse ja lõpuks ka ookeani.  

 

Nõudlus toidutootmise järele ei suurene mitte ainult maailma rahvastiku jätkuva kasvu tõttu, vaid seda põhjustavad ka muutused ülemaailmsetes toitumiseelistustes/harjumustes. Nagu on näidatud alloleval diagrammil, on sissetulekute ja lihatarbimise vahel tugev seos; Enamikus riikides süüakse rikkamaks saades rohkem liha ja piimatooteid.

Liha- ja piimatoodete tootmine on tavaliselt ressursimahukam kui enamiku põllukultuuride tootmine. See kehtib paljude keskkonnaressursside, sealhulgas maa, vee, sööda ja kasvuhoonegaaside heitkoguste kohta. Lisaks on liha- ja piimatootmine sageli palju vähem lämmastikutõhus kui taimekasvatus. Kuigi mõned põllukultuuride süsteemid võivad saavutada lämmastiku efektiivsuse 50% lähedal (või isegi üle selle), on enamiku loomakasvatussüsteemide tõhusus tunduvalt alla 10%.

Jõukuse suurendamine; suurenenud nõudlus liha- ja piimatoodete järele; avaldab seepärast veelgi suuremat survet meie toidusüsteemidele ja lämmastikuressurssidele.

Me ei pea mitte ainult rohkem tootma; ja ressursimahukamalt tootma; vaid koos sellega kaasneb täiendav surve, mis võib selle väljakutse veelgi raskemaks muuta. Lähikümnenditel lisab kliimamuutus mõnele põllumajandussüsteemile tõenäoliselt mitmel viisil survet. Kuigi globaalse temperatuuri mõne kraadi tõus võib kõrgetel laiuskraadidel saagikust positiivselt mõjutada, on sellel tõusul eeldatavasti negatiivne mõju madalamatel laiuskraadidel. Need negatiivsed mõjud ilmnevad tõenäoliselt riikides, kus rahvastiku kasv on suurim.

Ohustades eriti põllukultuure, võivad kliimamuutused mõjutada põllumajandussüsteeme mitmel viisil. Põllukultuure võivad potentsiaalselt mõjutada:

• kuumastress;

• muutused sademete hulgas nii põua- kui ka üleujutusperioodidest;

• teatud kahjurid ja põllukultuuride haigused.

Kuna maailmas kasutatakse umbes kolmandikku põllukultuuridest loomade toitmiseks, siis kaudselt avaldavad kõik need ohud potentsiaalset mõju ka liha- ja piimatoodete tootmisele.  

Kuidas saame toiduvalikuga vähendada lämmastikumõjusid

Lämmastikumõjude vähendamine ja lämmastiku kasutamise tõhusus tuleb suurendada mulla ja põllumajanduse majandamise tavade parandamisega. Tarbijatena on aga igaühel oma roll meie toidusüsteemi jätkusuutlikumaks muutmisel.

Üks võimalustest, mida peame lämmastiku mõju vähendamiseks, on toitumise valik (st see, mida me sööme). Oluline toitumismuudatus, mida saame teha lämmastiku mõju vähendamiseks, on liha- ja piimatoodete tarbimise vähendamine. Selle vähendamisega võib kaasneda rida täiendavaid eeliseid, sealhulgas isiklik tervis, aga ka muud keskkonnamõjud, nagu kasvuhoonegaaside heitkogused, maa- ja veekasutus.

Üleminek taimsema toitumise poole, mis on lähemal Maailma Terviseorganisatsiooni (WHO) tervisliku toitumise juhistele, on üks olulisemaid muudatusi, mida inimene saab keskkonnamõju vähendamisel teha. Muudatuse variandiks võiks olla üleminek "demitaarsele dieedile", mis tähendab tavapärase liha- ja piimatoodete tarbimise vähendamist poole võrra. ÜRO raporti "Nitrogen on The Table" kohaselt võib see muudatus viia kasvuhoonegaaside heitkoguste vähenemiseni 25–40%.

Toidujäätmete vähendamine

Lisaks sellele, et teeme paremaid valikuid selle kohta, mida me sööme, saame midagi muuta, kui paneme rohkem rõhku sellele, mida me ei söö. Teisisõnu: vähendada toidu raiskamist ja kadusid kogu tarneahelas ja majapidamiste tasandil.

Hinnanguliselt läheb kogu maailmas üle 20%  kuni kolmandik toodetud toidust raisku või kaotsi. Arengumaades kipub see tulema toidukao kujul, mis on toidu tahtmatu kadumine või riknemine põllu ja jaemüügitasandi vahel. Arenenud riikides, kus tarneahelate jaoks on parem transpordi-, turustus- ja töötlemise infrastruktuur, on toidukadu väiksem, kuid toidu raiskamine tarbijate tasandil on oluliselt suurem.

Kui see juhtub, ei lähe raisku või kaotsi mitte ainult toit ise, vaid ka selle tootmiseks kasutatud loodusvarad. See hõlmab lisaks kasvuhoonegaaside heitkogustele lämmastikväetisi, aga ka muid ressursse, nagu vesi, maa ja energia. Toidu raiskamise vähendamine, ostes vaid vajaliku koguse, planeerides toidukordi eelnevalt ja pannes vastu supermarketite reklaamidele (3 ühe hinnaga jms), on seega hea (ja suhteliselt lihtne) viis oma keskkonnamõju vähendamiseks.