چگونه فرآیند هابر-بوش چرخه جهانی نیتروژن را دو برابر کرد

اقتصاددانان کشاورزی به چرخه جهانی نیتروژن نگاه می‌کنند و مکانیزمی را می‌بینند که نیمی از جمعیت انسان‌ها را زنده نگه داشته است؛ آن‌ها استدلال می‌کنند که بدون کودهای شیمیایی، میلیاردها نفر با گرسنگی فوری مواجه خواهند شد. بیوژئوشیمی‌دانان به همان جریان‌های عنصری نگاه می‌کنند و مرز سیاره‌ای را می‌بینند که به‌شدت نقض شده است؛ آن‌ها هشدار می‌دهند که انباشت عظیم نیتروژن واکنش‌پذیر در آبراه‌ها و جو، اکوسیستم‌ها را در مقیاس جهانی بی‌ثبات می‌کند.

این تنش، کاربرد مدرن فرآیند هابر-بوش را تعریف می‌کند؛ یک پیشرفت شیمیایی که بیوژئوشیمی زمین را به‌طور بنیادین تغییر داد. سنتز آمونیاک از نیتروژن جوی تنها بازده محصولات کشاورزی را بهبود نبخشید، بلکه حجم نیتروژن واکنش‌پذیر در حال گردش در بیوسفر را عملاً دو برابر کرد.[3][6]

نیتروژن عنصری فراوان است و ۷۸ درصد از جو زمین را تشکیل می‌دهد، اما به شکل یک مولکول دواتمی وجود دارد که با یک پیوند سه‌گانه بسیار پایدار در کنار هم نگه داشته شده است.

این نیتروژن جوی بی‌اثر است، به این معنی که بیشتر موجودات زنده نمی‌توانند از آن برای ساخت پروتئین یا دی‌ان‌ای استفاده کنند. پیش از قرن بیستم، بیوسفر برای شکستن این پیوند و ایجاد نیتروژن واکنش‌پذیر، تقریباً به‌طور کامل به تثبیت بیولوژیکی نیتروژن (عمدتاً توسط باکتری‌های تخصصی در گره‌های ریشه حبوبات) و رعد و برق وابسته بود.[5]

این تنگنای بیولوژیکی، سقف کل مواد غذایی قابل تولید در سیاره را محدود می‌کرد. در سال ۱۹۰۹، شیمیدان آلمانی فریتس هابر روشی را برای سنتز آمونیاک در آزمایشگاه به نمایش گذاشت و تا سال ۱۹۱۳، کارل بوش این فرآیند را برای تولید صنعتی مقیاس‌پذیر کرد. فرآیند هابر-بوش گازهای نیتروژن و هیدروژن را تحت شرایط شدید (معمولاً ۴۰۰ تا ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد و فشار ۱۵۰ تا ۲۵۰ اتمسفر) روی یک کاتالیزور آهن به هم پیوند می‌دهد.[3]

آمونیاکِ حاصل به پایه و اساس کودهای شیمیایی مدرن تبدیل شد و یک انقلاب کشاورزی را رقم زد. بازده محصول در هر هکتار به‌شدت افزایش یافت و محدودیت‌های تاریخی حاصلخیزی خاک را در هم شکست. نشریه نیچر ژئوساینس (Nature Geoscience) خاطرنشان می‌کند که فرآیند هابر-بوش مسئول تامین غذای حدود ۴۸ درصد از جمعیت جهان است و میلیاردها زندگی را حفظ می‌کند که کشاورزی پیش از صنعتی شدن، به‌سادگی قادر به پشتیبانی از آن‌ها نبود.[3]

مقیاس این مداخله صنعتی در تاریخ سیاره بی‌سابقه است. بر اساس گزارش نشریه تبادلات فلسفی انجمن سلطنتی بی (Philosophical Transactions of the Royal Society B)، کل تولید نیتروژن واکنش‌پذیر توسط انسان در اوایل قرن بیست و یکم به حدود ۲۱۰ تراگرم در سال رسید.[1]

برای درک بهتر این رقم، نشریه فیزیک تودی (Physics Today) توضیح می‌دهد که تثبیت طبیعی نیتروژن در خشکی سالانه حدود ۱۱۰ تراگرم است. فرآیندهای صنعتی انسان اکنون به‌طور قابل‌توجهی بیشتر از کل چرخه طبیعی خشکی، نیتروژن واکنش‌پذیر تولید می‌کنند و تعادل شیمیایی سیاره را به‌طور بنیادین بازنویسی کرده‌اند.[5]

پیامدهای اکولوژیکی این هجوم عظیم، ناشی از اتفاقی است که برای نیتروژنِ جذب‌نشده توسط محصولات کشاورزی رخ می‌دهد. تارا ترامل، بوم‌شناس شهری در دانشگاه دلاویر، خاطرنشان می‌کند: «فعالیت‌های انسانی چرخه جهانی نیتروژن را به‌طور بنیادین تغییر داده و مازاد نیتروژن واکنش‌پذیری را ایجاد کرده است که اکوسیستم‌ها قادر به جذب آن نیستند.»

این مازاد پدیده‌ای را به نام «آبشار نیتروژن» آغاز می‌کند. همان‌طور که در نشریه بایوساینس (BioScience) به‌تفصیل بیان شده است، آبشار نیتروژن توصیف می‌کند که چگونه یک اتم نیتروژن واکنش‌پذیر می‌تواند پیش از بازگشت نهایی به حالت بی‌اثر جوی، به‌طور متوالی باعث چندین اثر زیست‌محیطی شود.[2]

هنگامی که کود شیمیایی در یک مزرعه استفاده می‌شود، بخش قابل‌توجهی از آن در طول بارندگی به آبراه‌های محلی شسته می‌شود. این رواناب کشاورزی غلظت بالایی از نیترات‌ها را به رودخانه‌ها و در نهایت به اقیانوس می‌برد، جایی که به‌عنوان یک کود قدرتمند برای جلبک‌های آبزی عمل می‌کند.[1][2]

شکوفایی جلبکیِ حاصل، مقادیر عظیمی از اکسیژن محلول را در حین تجزیه مصرف می‌کند و «مناطق مرده» هیپوکسیک (کم‌اکسیژن) ایجاد می‌کند که حیات دریایی نمی‌تواند در آن‌ها زنده بماند. این مناطق مرده اکنون صدها اکوسیستم ساحلی را در سطح جهان تحت تاثیر قرار داده و به‌شدت بر شیلات تجاری و تنوع زیستی دریایی اثر می‌گذارند.[2]

این آبشار به درون جو نیز ادامه می‌یابد. میکروب‌های خاک، نیتروژن اضافی کشاورزی را به اکسید نیتروژن (N2O) تبدیل می‌کنند؛ یک گاز گلخانه‌ای که در یک بازه زمانی ۱۰۰ ساله، حدود ۳۰۰ برابر قدرتمندتر از دی‌اکسید کربن است.[1]

علاوه بر این، ترکیبات نیتروژن واکنش‌پذیر به آلودگی هوای موضعی کمک می‌کنند. نشریه مرورهای بهداشت محیط (Reviews on Environmental Health) پیامدهای این عدم تعادل بر سلامت انسان را تشریح می‌کند و یادآور می‌شود که اکسیدهای نیتروژن (NOx) در جو واکنش داده و ذرات معلق ریز و ازن سطح زمین را تشکیل می‌دهند که بیماری‌های تنفسی و قلبی عروقی را تشدید می‌کنند.[4]

چالش اصلی در بهره‌وری استفاده از نیتروژن (NUE) نهفته است. سیستم‌های کشاورزی جهانی کنونی در تبدیل نیتروژن مصنوعیِ اعمال‌شده به غذای مصرفی انسان بسیار ناکارآمد هستند. تلفات در سطح مزرعه از طریق رواناب و تبخیر، در سطح دام از طریق تبدیل ناکارآمد خوراک، و در سطح خرده‌فروشی از طریق هدررفت مواد غذایی رخ می‌دهد.[6]

رسیدگی به این عدم تعادل نیازمند تغییرات سیستمی در نحوه پرورش مواد غذایی در جهان است. راه‌حل‌هایی که در حال حاضر به کار گرفته می‌شوند شامل فناوری‌های کشاورزی دقیق است که کود را تنها در زمان و مکانی که گیاهان به آن نیاز دارند اعمال می‌کنند، توسعه غلات اصلاح‌شده ژنتیکی با قابلیت تثبیت نیتروژن خود، و چارچوب‌های نظارتی سخت‌گیرانه‌تر حاکم بر رواناب کشاورزی. هدف، حذف نیتروژن مصنوعی (که برای امنیت غذایی جهانی ضروری باقی می‌ماند) نیست، بلکه بستن حلقه چرخه‌ای است که به‌اجبار بیش از حد باز شده است.[5][6]