Борьба с загрязнением воздуха с помощью устройства стоимостью всего 1 доллар

Внести свой вклад в глобальные усилия по снижению выбросов аммиака, вызывающих загрязнение атмосферы, а также улучшить доступ к пищевым ресурсам способно новое устройство простой конструкции, стоимость которого составляет менее 1 доллара США.

Новое простое устройство из обычной пластиковой бутылки может внести вклад в усилия по отслеживанию и сокращению выбросов аммиака в сельском хозяйстве и обеспечению продовольственной безопасности (Фото: Embrapa) 

Внести свой вклад в глобальные усилия по снижению выбросов аммиака, вызывающих загрязнение атмосферы, а также улучшить доступ к пищевым ресурсам способно новое устройство простой конструкции, стоимость которого составляет менее 1 доллара США. Это небольшое устройство из пластика было разработано бразильскими учеными в сотрудничестве с МАГАТЭ и Продовольственной и сельскохозяйственной организацией Объединенных Наций (ФАО). После того, как с помощью изотопных методов была проверена и подтверждена корректность его работы, это новое устройство выводится на рынок, чтобы помочь странам осуществлять мониторинг и более эффективное регулирование выбросов аммиака в сельскохозяйственной отрасли, в том числе в животноводстве.

Аммиак — химическое соединение азота и водорода — является одним из основных побочных продуктов сельского хозяйства и представляет собой газ, выделяющийся, в частности, при разложении удобрений и животного навоза. Попадая в атмосферу, этот газ (NH3) может становится вторичным источником образования закиси азота (N2O) — газа, в значительной мере способствующего парниковому эффекту — и наносить ущерб экосистемам, усугубляя загрязнение воды и вызывая у людей проблемы со здоровьем.

При неправильном внесении удобрения вплоть до половины содержащегося в нем азота может уходить в атмосферу, что означает не просто потерю эффективности, но и серьезные финансовые последствия. Понимание закономерностей, приводящих к такой потере, имеет ключевое значение для того, чтобы предоставлять фермерам рекомендации по оптимальным способам применения удобрений, позволяющим добиться максимальной урожайности и выгоды.

«В среднем 35% всех используемых в Бразилии азотных удобрений пропадают впустую в виде испарений аммиака в атмосферу, что оказывает значительное влияние на окружающую среду и на экономику», — говорит Сегундо Уркиага, почвовед из Национального агробиологического исследовательского центра Бразильской корпорации сельскохозяйственных исследований («Embrapa»).

Учитывая, что население нашей планеты продолжает увеличиваться, растет и спрос на продовольствие. Это, в свою очередь, приводит к развитию отраслей животноводства и к увеличению зависимости производства продовольствия от синтетических и органических азотных удобрений. Соответственно, возрастают и выбросы аммиака. Ожидается, что на протяжении следующего десятилетия эта тенденция будет сохраняться, вследствие чего возникает еще один фактор угрозы здоровью людей и состоянию окружающей среды.

В ряде стран, таких как Бразилия, эксперты ищут способы измерения и ограничения выбросов аммиака в атмосферу. Существует множество подходящих для этих целей высокотехнологичных методов измерений, в том числе измерения в аэродинамических трубах, внутрирезонаторная лазерная спектроскопия и микрометеорологические методы, однако они сопряжены со значительными затратами и должны производиться высококвалифицированными специалистами, работающими в полевых условиях.

«Измерение и ограничение этого процесса раньше представлялось задачей, требующей весьма затратных с точки зрения сил и времени и сравнительно дорогих решений, — говорит г-н Уркиага. — Новый метод является экономичным и быстрым и может быть реализован на практике где угодно. Его использование окажет непосредственное влияние на фермеров, которые смогут не только сэкономить ресурсы, но и уменьшить загрязнение воздуха».

Новое уникальное устройство

Новое устройство настолько простое, что его легко можно принять за результат какого-нибудь проекта по естествознанию из начальной школы. Путем удаления у большой пластиковой бутылки из-под газированной воды донышка и крепления его к открытой горловине изготавливается измерительная камера. Внутри нее находится тонкая полоса из поролона, которую предварительно пропитывают кислотным раствором, способным захватывать аммиак, — она проходит сквозь бутылку сверху от горлышка вниз до маленького пластикового стаканчика, который фиксируется на земле с помощью трех металлических штырьков. Такие камеры устанавливаются вдоль посадок растительных культур или площадок животноводческих хозяйств, где планируется вести мониторинг; раз в сутки полоски поролона вынимаются и передаются в лабораторию на анализ.

Это уникальное по своей простоте устройство и указания по его применению были разработаны коллективом ученых, представляющим Объединенный отдел ФАО/МАГАТЭ по ядерным методам в продовольственной и сельскохозяйственной областях, корпорацию «Embrapa» и Институт агрономических наук Параны (IAPAR) в Бразилии.

«Это устройство может пригодиться нам для того, чтобы понять механизмы потери азота в виде аммиака и разработать оптимизированные с точки зрения воздействия на климат решения, которые позволят сохранять достаточное количество азота для повышения урожайности культур, особенно в менее плодородных и бедных азотом почвах, что может оказать серьезное влияние на производство продовольствия», — говорит Мохаммад Заман, почвовед и специалист по питанию растений из Объединенного отдела ФАО/МАГАТЭ.

Это устройство может использоваться как самостоятельно, для точного измерения потерь в виде аммиака, так и в сочетании с различными сельскохозяйственными методами, направленными на сокращение выбросов парниковых газов и уменьшение их воздействия на окружающую среду. К числу подобных методов относятся системы капельного орошения, применение удобрений совместно с ингибиторами нитрификации и севооборот с использованием азотфиксирующих бобовых культур.

Простота, которая не влияет на надежность измерения

Учитывая простоту конструкции этого устройства, предметом серьезной озабоченности стала надежность получаемых с его помощью результатов измерений. Для ее проверки ученые прибегли к изотопному методу, предполагающему добавление в удобрение изотопа азота-15 (см. вставку «Наука») в качестве маркера для отслеживания, измерения и сопоставления количества аммиака, задержанного пластиковой камерой устройства, с общим количеством выделившегося аммиака, которое измерялось методом расчета баланса азота для проверки его содержания в почве с течением времени. Так как аммиак является азотсодержащим соединением, применение изотопа азота-15 дало ученым возможность отследить потери азота в виде аммиака.

Результаты испытаний показали, что такая измерительная камера представляет собой вполне надежный и подходящий способ отслеживания испарений аммиака из органических и синтетических удобрений, применяемых для подкормки однолетних и многолетних культур, а также из отходов животноводства. Как отметил г-н Уркиага, «по сравнению с традиционным методом измерения в закрытой камере, этот метод показывает высокую эффективность и точность при измерении и мониторинге выбросов аммиака».

Использовать это устройство уже начали в шести странах — Бразилии, Иране, Коста-Рике, Пакистане, Чили и Эфиопии. По словам г-на Замана, ожидается, что это устройство найдет более широкое применение, особенно после того, как результаты проекта будут опубликованы в специальном издании рецензируемого международного научного журнала. Кроме того, планируется представить в Межправительственную группу экспертов по изменению климата (МГЭИК) рекомендацию по включению этого устройства в перечень методов для применения в сельскохозяйственных системах по всему миру, в особенности в развивающихся странах.

A new, unique tool

The new tool is so simple that it could easily be mistaken for a grade-school science project. The chamber is made by removing the bottom of a large soda bottle and attaching it to the open bottle top. This shields a thin strip of foam that runs along the inside of the bottle from the mouth down to a small plastic cup anchored to the soil with three metal prongs. This foam is presoaked in an acid solution that traps ammonia. The chamber is placed alongside the plants or livestock area to be monitored, and the foam is removed every 24 hours and taken to the laboratory for analysis.

This unique and simple device and instructions on how to use it were created by scientists from the Joint FAO/IAEA Division of Nuclear Techniques in Food and Agriculture, EMBRAPA and Brazil’s Agronomic Institute of Parana (IAPAR).

“This device could help us understand ammonia losses and move toward climate-smart solutions that leave enough nitrogen to boost plant productivity, especially in less fertile and nitrogen-deficient soil, which can have a major impact on food production,” said Mohammad Zaman, a soil scientist and plant nutritionist at the Joint FAO/IAEA Division of Nuclear Techniques in Food and Agriculture.

The device can be used on its own to precisely measure ammonia losses, as well as in combination with agricultural practices designed to reduce greenhouse gas emissions and their impact on the environment. These practices include drip irrigation systems, co-application of fertilizers with nitrogen process inhibitors and crop rotation involving nitrogen-fixing legumes.

Simple, yet reliable

A major concern with such a simple setup was the reliability of its results. To test this, the scientists used an isotopic technique that involves adding nitrogen-15 to fertilizer (see The Science box) as a way to track, measure and compare the amounts of ammonia captured by the plastic chamber versus how much ammonia was released, which was determined by using the nitrogen mass balance method to check the amount of nitrogen in the soil over time. As ammonia is a compound containing nitrogen, the nitrogen-15 method allows scientists to track the ammonia losses.

The results of the tests showed that the chamber was reliable and suitable for tracking ammonia emissions from organic and synthetic fertilizers used for annual and perennial crops, as well as for excreta in livestock systems. “This method is highly efficient and precise in measuring and monitoring ammonia in comparison to the traditional closed chamber method,” Urquiaga said.

Experts in six countries — Brazil, Chile, Costa Rica, Ethiopia, Iran and Pakistan — have already started using the tool. More widespread use of the tool is expected, said Zaman, with the foreseen publication of the project results in a special edition of a peer-reviewed international scientific journal, as well as with a plan to recommend to the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) to include the tool as a method for use in agricultural systems worldwide, especially in developing countries.