Еда
Запасаемся энергией
Мир без синтетического аммиака
К концу XIX в. развитие таких областей науки, как химия и физиология растений, показало, что азот – это важнейший питательный макроэлемент, или макронутриент, необходимый в относительно больших количествах для выращивания сельскохозяйственных культур. Растениям требуются также фосфор и калий (еще два макронутриента) и разнообразные микронутриенты (от железа до цинка; они нужны в небольших количествах). В высокоурожайной голландской пшенице (9 т/га) будет содержаться около 10 % белка, или 140 кг азота, но всего по 35 кг фосфора и калия.
В традиционном сельском хозяйстве необходимый азот добывали двумя способами: повторно использовали всю доступную органику (это солома, стебли, листья, отходы жизнедеятельности человека и животных) и чередовали зерновые или масличные культуры с бобовыми (кормовыми, такими как люцерна, клевер и вика, а также продовольственными – соя, бобы, горох и чечевица). Бобовые сами себя обеспечивают азотом благодаря тому, что бактерии, живущие на их корнях, могут «связывать» азот (превращать инертные молекулы газа в воздухе в аммиак, доступный для растущих растений), причем часть азота остается в почве для зерновой или масличной культуры, которая будет расти на этом поле в следующем сезоне.
Первый вариант довольно трудоемкий – особенно сбор отходов жизнедеятельности человека и животных, их ферментация и внесение в почву, – однако навоз и нечистоты содержат больше азота (обычно 1–2 %), чем солома или стебли растений (менее 0,5 %). Второй вариант требует севооборота и препятствует непрерывному выращиванию главных зерновых культур, будь то рис или пшеница. Вместе с ростом населения (и урбанизацией) возрастал спрос на эти зерновые, и стало ясно, что фермеры не смогут удовлетворить растущую потребность в продовольствии без новых, синтетических источников «связанного» азота, то есть такого азота, который сельскохозяйственные культуры могли бы усваивать через корни.
Поиски увенчались успехом в 1909 г., когда Фриц Габер, профессор химии из Университета Карлсруэ, продемонстрировал способ получения аммиака (NH3) при высоком давлении и высокой температуре в присутствии металлического катализатора. Первая мировая война и экономический кризис 1930-х гг. замедлили внедрение процесса Габера – Боша, но потребности растущего (с 2,5 млрд в 1950 г. до 7,75 млрд в 2020 г.) населения планеты в продовольствии привели к резкому увеличению производства аммиака, от менее 5 млн тонн (1950) до почти 150 млн тонн в последние годы. Без этого важного вклада было бы невозможно многократно увеличить урожайность главных зерновых культур (см. главу «Пшеница: умножаем урожай») и прокормить современное население Земли.
Синтетические азотные удобрения, которые мы получаем из аммиака, синтезируемого в процессе Габера – Боша (самый распространенный продукт – мочевина), сегодня обеспечивают около половины азота, необходимого сельскохозяйственным культурам во всем мире; вторую половину растения получают из севооборота с бобовыми, переработки органических отходов (навоз и пожнивные остатки) и из атмосферных осадков. На сельскохозяйственные культуры приходится приблизительно 85 % пищевых белков (остальное мы получаем из мяса, рыбы и морепродуктов), и это значит, что без синтетических азотных удобрений мы не сможем получить достаточно еды с учетом превалирующих диет, характерных для более чем 3 млрд человек – это больше суммарного населения Китая (где синтетические азотные удобрения уже обеспечивают более 60 % урожая) и Индии. По мере того как растет численность населения в некоторых азиатских странах и во всей Африке, доля человечества, зависящего от синтетических соединений азота, скоро достигнет 50 %.
В Китае до сих пор часть аммиака производят из каменного угля, но в остальном мире используют процесс Габера – Боша, азот для которого получают из воздуха, а водород – из природного газа (по большей части метана, CH4); кроме того, газ служит источником энергии, необходимой для синтеза, а ее требуется много. В результате синтез аммиака и последующее производство, транспортировка и применение твердых и жидких азотных удобрений в настоящее время дают около 1 % мирового выброса парниковых газов, и у нас нет промышленной безуглеродной альтернативы, подходящей для массового производства 150 млн тонн аммиака (NH3) в год.
Гораздо сильнее тревожит то обстоятельство, что из-за применения удобрений азот массово выделяется в окружающую среду (улетучивание, утечка и денитрификация). Нитраты загрязняют пресную воду и прибрежные моря (вы- зывая расширение мертвых зон), осаждение нитратов из атмосферы приводит к окислению природных экосистем, а закись азота (N 2O) в настоящее время считается третьим по значению парниковым газом после CO2 и CH4. Последняя оценка подтвердила, что по сравнению с началом 1960-х гг. эффективность использования азота в мире снизилась на 47 % – более половины внесенных удобрений теряются, не входя в собранный урожай.
Богатым странам синтетического азота хватает, но для того, чтобы накормить около 2 млрд человек, которые в ближайшие 50 лет появятся на свет в Африке, потребуется существенно увеличить объем его производства. В целях сокращения будущих потерь азота необходимо сделать все возможное для повышения эффективности внесения удобрений, сокращения объема пищевых отходов (см. главу «Пищевые отходы: непростительно много») и перейти на умеренное потребление мяса (см. главу «Мясо нужно есть с умом»). Даже эти меры полностью не избавят нас от выделения азота в окружающую среду – но это цена, которую мы платим за рост численности населения планеты с 1,6 млрд человек в 1900 г. до 10 млрд в 2100 г.
