Agricultura și transformarea durabilă a Industriei îngrășămintelor
Creșterea rapidă a populației globale a crescut substanțial cererea de produse agricole. Pentru a satisface această cerere agricolă, îngrășămintele sunt utilizate în mod deschis pe terenurile agricole. De obicei, formularea îngrășămintelor chimice este asociată cu cerințe mari de energie, resurse neregenerabile și emisii mai mari de dioxid de carbon (CO2). Prin urmare, oamenii de știință au lucrat la dezvoltarea îngrășămintelor durabile.
Nevoia unui sistem agricol durabil
World Population Prospects 2022 a estimat că populația globală va crește la 8,5 miliarde până în 2030 și va ajunge la 9,7 miliarde până în 2050. Această creștere a populației globale sporește automat nevoia unui sistem agricol durabil.
Un sistem de agricultură durabilă asigură utilizarea optimă a apei, energiei și nutriției și reduce impactul asupra mediului. De asemenea, încurajează o reducere a dependenței de epuizarea resurselor naturale și menține puterea economică globală.
Plantele necesită atât macronutrienți, cât și micronutrienți pentru creșterea lor. Deoarece majoritatea solurilor agricole au deficit de nutrienți, fermierii folosesc îngrășăminte suplimentare pentru a crește creșterea culturilor.
Macronutrienții, cum ar fi azotul (N), fosforul (P) și potasiul (K) sunt necesari în cantități mai mari. În schimb, micronutrienții, cum ar fi calciul (Ca), borul (B), cuprul (Cu), manganul (Mg), zincul (Zn) și molibdenul (Mo) sunt necesari în cantități relativ mai mici.
Nutrienții pentru plante sunt disponibili sub formă de îngrășăminte organice sau îngrășăminte sintetice. Îngrășămintele organice includ făină de pește, deșeuri de tratare a apei sau a apelor uzate, făină de lucernă, gunoi de grajd, făină de sânge și cenușă de lemn. Atât îngrășămintele sintetice, cât și cele organice sunt necesare pentru a hrăni populația umană globală.
Deoarece îngrășămintele (sintetice și organice) necesită energie și alte resurse, este esențial să nu le folosim excesiv și să minimizați consecințele lor negative. În amoniac, azotul este produs folosind procesul Haber-Bosch, reducând azotul atmosferic pentru a produce amoniac în prezența unui catalizator pe bază de fier și la temperatură ridicată. Ulterior, utilizarea îngrășămintelor pe bază de amoniac induce formarea de protoxid de azot, care este un gaz cu efect de seră cunoscut.
Fosfatul este derivat dintr-o resursă neregenerabilă care durează între 40 și 400 de ani. Se obține din minerit și din reacția chimică a rocii fosfatice și a acidului fosforic sau sulfuric. Potasiul se obține și prin exploatarea saramurilor subterane. Pentru obținerea acestor îngrășăminte este necesară o cantitate mare de energie și apă. Prin urmare, este esențial ca îngrășămintele să fie durabile în agricultură.
Căi diferite pentru îngrășăminte durabile
Agenția pentru Protecția Mediului din SUA (US EPA) a descris durabilitatea drept „[abilitatea de a] crea și menține condițiile în care oamenii și natura pot exista în armonie productivă pentru a sprijini generațiile prezente și viitoare”. Principiile directoare ale îngrășământului durabil cuprind 4-R, adică recuperarea, reducerea, reciclarea și reutilizarea.
Recuperarea și reutilizarea sunt implicate în procese care generează în mod direct deșeuri utile (de exemplu, tratarea apelor uzate) și le reutiliza ca îngrășământ.
Reciclarea este asociată cu transformarea deșeurilor în produse utile, în timp ce reducerea implică scăderea utilizării resurselor naturale, a necesarului de energie și a costului producției de îngrășăminte. Dar, fabricarea îngrășămintelor cu azot poate fi făcută mai durabilă prin utilizarea metodelor alternative.
Strategii
Unele strategii includ înlocuirea gazelor naturale cu energie regenerabilă și dezvoltarea unui catalizator superior care scade temperatura și presiunea necesare producției de amoniac. Metodele electrochimice sau fotochimice pot produce, de asemenea, amoniac care utilizează energie regenerabilă și care nu generează CO2.
Nanotehnologia a fost aplicată pentru procesele durabile de recuperare a nutrienților îngrășămintelor. Oamenii de știință folosesc nanotehnologia pentru eliberarea lentă a îngrășămintelor în forme solubile.
Îngrășămintele pe bază de nano sunt dezvoltate folosind metode ecologice, acizi organici polari mai puțin nocivi (de exemplu, acid citric), consum redus de apă și energie și deșeuri minime. Aplicarea nano îngrășăminte a crescut substanțial randamentul culturilor (de exemplu, porumb) în comparație cu îngrășămintele convenționale.
Mai multe bacterii din sol transformă îngrășământul cu azot (amoniac) în nitrat, care este inutil pentru plante. Prin urmare, inhibarea conversiei amoniacului în nitrat sau a ureei în amoniac gazos ar scădea semnificativ necesarul de îngrășământ cu azot în exces pentru creșterea plantelor. Adăugarea inhibitorilor de nitrificare și a ureazei în formulările de îngrășăminte poate preveni pierderile de azot și ineficiența.
Îngrășămintele de bioformulare
O altă formă de îngrășământ durabil sunt îngrășămintele de bioformulare. Acest tip de îngrășământ conține microorganisme încapsulate care beneficiază de fixarea și mobilizarea nutrienților plantelor. Introducerea în sol a bacteriilor fixatoare de azot sau a bacteriilor solubilizatoare de fosfat crește biodisponibilitatea azotului sau fosforului, îmbunătățind creșterea și randamentul culturilor.
Eficacitatea îngrășămintelor depinde de timp și modul de aplicare. O formulare pe bază de nano, care asigură eliberarea susținută sau controlată a componentelor nutritive în timp, este extrem de benefică din punct de vedere economic, cu un randament mai mare.
Utilizarea redusă a îngrășămintelor sintetice este legată de contaminarea mai scăzută a apei de suprafață, îmbunătățirea calității generale a apei și scăderea eutrofizării.
Utilizarea deșeurilor organice ca îngrășăminte sporește durabilitatea îngrășămintelor și scade poluarea. De exemplu, deșeurile din apele uzate și epurarea apelor uzate pot fi utilizate direct ca îngrășăminte. Cu toate acestea, în unele cazuri, nivelurile de azot și fosfor necesită o reducere înainte de aplicarea lor în sol.
Biorafinăriile sunt concepute pentru a îmbunătăți durabilitatea producției de îngrășăminte. Acest lucru ajută, de asemenea, la circularitatea economiei prin reutilizarea și reciclarea deșeurilor pentru produse noi.
Perspective de viitor asupra dezvoltării durabile a îngrășămintelor
În viitor, vor fi necesare metode alternative mai ecologice pentru dezvoltarea îngrășămintelor. Folosirea metodelor de producere și recuperare a îngrășămintelor bazate pe nano, eficiente din punct de vedere energetic, promovează gestionarea durabilă a îngrășămintelor. Microbii și aditivii chimici sunt utilizați în prezent în formulările de îngrășăminte pentru a îmbunătăți eficiența utilizării nutrienților.
Companiile mici și mari au început să încorporeze nutrienți recuperați în produsele lor de îngrășăminte. Se așteaptă că această tehnică va continua să crească în viitor. O singură tehnologie nu va funcționa în toate setările. Prin urmare, integrarea multor tehnologii ar putea da rezultate mai bune.
În prezent, strategiile de producere a amoniacului verde au fost considerate un pas esențial pentru producția durabilă de îngrășăminte. O strategie de succes ar putea modifica sau înlocui procesul Haber-Bosch pentru dezvoltarea îngrășămintelor cu azot.
(Referințe și lecturi suplimentare
Sustainable use of nutrients. (2023) [Online] Available at: https://agriculture.ec.europa.eu/sustainability/environmental-sustainability/low-input-farming/nutrients_en
Avery, H. (2022). The Role of Organic Fertilizers in Transition to Sustainable Agriculture in the MENA Region. New Generation of Organic Fertilizers. http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.101411
Babcock-Jackson, L. et al. (2022) Sustainable Fertilizers: Current Publication Landscape and Challenges. DOI: 10.26434/chemrxiv-2022-fxnlc
Lv, C. et al. (2021) Selective electrocatalytic synthesis of urea with nitrate and carbon dioxide. Nature Sustainability, 4, pp. 868–876. https://doi.org/10.1038/s41893-021-00741-3)
