NITROGÊNIO NO MEIO AMBIENTE.

As atividades humanas perturbaram muito o ciclo global do nitrogênio. Os limites planetários, que descrevem um espaço operacional seguro para a humanidade, já foram excedidos no ciclo do nitrogênio (1). 

O excesso de emissão de nitrogênio das atividades humanas pode desempenhar um papel nas grandes florescências de algas, como mostrado aqui no Lago Erie na América do Norte. Foto: Aurora fotos/Alarmy Stock Photo.

Em algumas partes do mundo, o excesso de nitrogênio tem impactos negativos sobre a diversidade biológica, saúde humana e no clima. No entanto, em outras partes do mundo, a escassez de nitrogênio significa que as necessidades alimentares não podem ser atendidas. Esta perturbação em larga escala do ciclo do nitrogênio apresenta desafios consideráveis ​​que exigem a adoção em larga escala de abordagens de manejo de nitrogênio localmente apropriadas.

O nitrogênio é um elemento abundante na Terra; Ela representa 78,1% da atmosfera da Terra e é um nutriente essencial para todas as formas de vida. Grande parte desse nitrogênio está na forma de gás nitrogênio não reativo (N2) e não está disponível para uso pela maioria dos organismos vivos. Mas uma parte dele, fixada por processos naturais ou antropogênicos, está em uma forma reativa [Nr, que inclui óxidos de nitrogênio (NOx), nitrogênio reduzido (NHx), óxido nitroso (N2O), ácido nítrico (HNO3), e outras formas orgânicas e inorgânicas] disponíveis para uso por organismos vivos. No século passado, a quantidade de Nr proveniente de atividades humanas aumentou tanto que agora excede a fixação natural, resultando em mais que o dobro do ciclo global de nitrogênio (produção antropogênica de Nr, 210 Tg N por ano; produção de Nr natural, 203 Tg N por ano) (2). Como conseqüência desse aumento na fixação de nitrogênio, a poluição do ar, da água e do solo por nitrogênio tornou-se uma das principais preocupações em muitas partes do mundo (veja abaixo).

Desigualdades do uso de nitrogênio

Uma das principais causas da poluição por nitrogênio no mundo desenvolvido é a produção de alimentos. O poluente Nr, liberado para o meio ambiente durante a produção e consumo de alimentos, deriva de uma série de questões, incluindo o uso excessivo de fertilizantes, má gestão de resíduos animais, consumo exagerado de proteína e desperdício de alimentos. Entre 1961 e 2007, tanto os insumos de nitrogênio de fertilizantes quanto o rendimento de grãos aumentaram globalmente, mas a quantidade de nitrogênio adicionado recuperado nas colheitas permaneceu relativamente inalterada em torno de 40%. Isso significa que a quantidade de nitrogênio perdida no meio ambiente aumentou constantemente (3).

No entanto, existem desigualdades consideráveis ​​no uso de nitrogênio globalmente. Em países fora da Organização para Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE) e nas principais economias emergentes, a quantidade de nitrogênio absorvida pelas lavouras permanece baixa. Não só há fertilizantes insuficientes, como os nutrientes disponíveis são freqüentemente usados ineficientemente (3). A África Subsaariana é um exemplo perfeito. Aqui, os solos pobres em nutrientes estavam produzindo uma média de 1 tonelada métrica (MT) ha-1 para safra de grãos em 2012, com uso de fertilizantes em média de 9 kg ha-1 de terra cultivada. Por outro lado, na Ásia, onde existem grandes economias emergentes, o rendimento da safra chegou a 4,5 Mt ha-1, mas isso foi alcançado com a aplicação de fertilizantes com uma média de 96 kg ha-1 (4). A escassez de nitrogênio leva claramente a grandes problemas para atender às demandas da população por alimentos. Esses problemas são tão difíceis de resolver quanto os problemas causados ​​pela poluição por nitrogênio em outras partes do mundo.

Consequência do aumento da disponibilidade de Nr.

Uma das principais conseqüências do aumento da disponibilidade de Nr tem sido um aumento na deposição atmosférica do Nr. Entre 1900 e 1980, a deposição de nitrogênio oxidado [como NOx e N2O] na Europa aumentou três a quatro vezes, enquanto a deposição de nitrogênio reduzido [como amônia (NH3)] dobrou (5). Craine et al. recentemente mostraram que as concentrações de nitrogênio nos tecidos da planta – muitas vezes consideradas um indicador da quantidade de nitrogênio absorvida pelas plantas ou seu status de nitrogênio – declinaram globalmente entre 1980 e 2017 apesar do aumento global da disponibilidade de Nr (6). Essa redução no teor de nitrogênio parece indicar que há menos nitrogênio disponível para as plantas do que no passado. Embora a deposição de nitrogênio tenha diminuído em alguns países desenvolvidos desde 1980, essa não é uma tendência global, o que torna difícil esgotar essa reserva de nitrogênio das plantas com o aumento das emissões de Nr. Os autores sugerem que isso é causado por níveis aumentados de dióxido de carbono (CO2) e épocas de crescimento mais longas, o que permite maiores níveis de produção de biomassa.

Estudos isotópicos estáveis ​​podem fornecer informações sobre as fontes de nitrogênio nos tecidos vegetais. Os isótopos estáveis ​​são medidos como uma razão dos isótopos pesados ​​e leves em uma amostra; fontes atmosféricas de nitrogênio depositadas seriam tipicamente leves (chamado efeito Haber-Bosch) (7). Um declínio na relação isotópica estável ao nitrogênio (δ15 N) pode, portanto, indicar um aumento na deposição atmosférica. De fato, em um recente estudo de modelagem, Yang e Gruber descobriram aumentos no nitrogênio isotopicamente leve nos oceanos globais (7); Mii e Sigman relataram observações semelhantes em corais em um recife remoto (8). Craine et al. (6) também observar um declínio em δ15 N, embora os dados sejam altamente variáveis ​​e as alterações sejam pequenas. Assim, as concentrações de nitrogênio da planta estão diminuindo apesar do aumento da deposição atmosférica.

Dois lados de nitrogênio:

Em muitas partes do mundo, um excesso de nitrogênio fixado está causando problemas ambientais e de saúde, mas em alguns países em desenvolvimento, o nitrogênio insuficiente causa escassez de alimentos.

Excesso de nitrogênio

Causas: Elevadas emissões da agricultura, em especial fertilizantes e resíduos animais. Alta combustão de combustíveis fósseis

Efeitos: Perda de biodiversidade em múltiplos níveis tróficos, aumento das emissões de gases de efeito estufa, má qualidade do ar e águas poluídas que afetam a saúde humana. Águas interiores e costeiras poluídas por lixiviação e deposição atmosférica. Solos enriquecidos e acidificados, resultando em mudanças na biologia e na química. Maior formação de poluentes atmosféricos na atmosfera, incluindo ozono.

Exemplos de medidas preventivas: Melhor gestão do lixo animal na agricultura para reduzir as emissões. Agricultura de precisão para reduzir insumos de fertilizantes Mudanças na dieta humana para reduzir os alimentos com alto teor de nitrogênio, como a carne de porco. Maior uso de fontes alternativas de energia. Redução do uso de combustíveis fósseis no transporte. Limpeza química de emissões industriais para remover nitrogênio reativo.

Nitrogênio insuficiente

Causas: Solos de fertilidade pobres, disponibilidade insuficiente de fertilizantes para a agricultura devido ao custo, uso ineficaz de fertilizantes e eficácia reduzida de adições de nitrogênio devido a condições ruins do solo.

Efeitos: Baixa produtividade das culturas e produção de alimentos insuficiente. O nitrogênio ainda pode ser um poluente devido ao baixo controle do nitrogênio.

Exemplos de medidas preventivas: Maior disponibilidade de fertilizantes, educação para os agricultores sobre como usar fertilizantes de forma eficaz e educação para os agricultores em relação ao manejo do solo.

Craine et al. (6) questionam se a humanidade excedeu um verdadeiro limite planetário para disponibilidade de nitrogênio porque o nitrogênio do tecido vegetal está caindo. No entanto, o dano extensivo causado aos ecossistemas sustenta o argumento de que de fato ultrapassamos um limite planetário. A deposição atmosférica de nitrogênio aumentou para níveis em que se tornou um dos principais impulsionadores da produtividade global das plantas (9) e é um importante fator de riqueza e composição de espécies em escala continental (10). Muitos experimentos de campo com deposição simulada demonstraram considerável inércia na recuperação da química do solo e composição de espécies quando as quantidades de adição de nitrogênio são reduzidas.

Por exemplo, Bowman et al. mostraram que em pastagens alpinas nas Montanhas Rochosas dos Estados Unidos, 12 anos de deposição de Nr simulado resultaram em mudanças significativas na composição de espécies, incluindo o declínio de uma cepa anteriormente dominante e aumentos em outras espécies (11). O estudo também encontrou mudanças na relação fungo-bactéria, nitrificação no solo, pH do solo, concentrações de metais tóxicos e concentrações de cátions. Nove anos após as aplicações do Nr terem sido interrompidas, muitas dessas variáveis ​​do solo não retornaram aos níveis basais, nem a biota. Esse tipo de descoberta não é incomum, e é possível, dada a falta de recuperação observada em algumas comunidades, que estados estáveis ​​alternativos possam ter sido atingidos em alguns habitats.

Endereçando Excessos e Escassez

A percepção da extensão dos danos causados ​​pela deposição de nitrogênio, juntamente com co-benefícios de outras áreas da política ambiental, está começando a resultar em reduções nas emissões e na deposição de nitrogênio. A deposição de nitrogênio oxidado, que é produzido principalmente por processos de combustão, atingiu o pico na Europa na década de 1980 e desde então diminuiu, principalmente devido a políticas para reduzir a poluição do ar e como um co-benefício da redução nas emissões de carbono. Os declínios na deposição de nitrogênio reduzido, que é produzido principalmente pela agricultura, têm sido muito menores (5). Essa falta de progresso com a redução das emissões de nitrogênio é em parte porque as emissões da agricultura são menos regulamentadas em muitos países do que as emissões da indústria e dos transportes. Tendências semelhantes foram observadas nos Estados Unidos (12).

Outras reduções na criação do Nr exigirão mudanças amplas nas práticas agrícolas e nas atitudes em relação à comida. Li et al. destacaram as pressões ambientais que o sistema de produção de alimentos coloca no meio ambiente. Se a humanidade quiser permanecer dentro dos limites planetários, incluindo o limite para o nitrogênio, devemos mudar nossas dietas, combinadas com melhorias tecnológicas e reduções no desperdício de alimentos (13). O consumo de carne, em particular, impulsiona a pegada de nitrogênio humano, porque grandes quantidades de Nr são perdidas para o meio ambiente durante a produção de carne. Globalmente, o consumo de carne continua a crescer, mas há alguma evidência de que em alguns países de alta renda, o consumo de carne per capita está começando a declinar (14).

O ciclo de nitrogênio da Terra tem sido enormemente perturbado em escala global, e há uma necessidade urgente de resolver o problema do excesso de Nr em nosso meio ambiente. Existem muitas abordagens potenciais que podem ser tomadas para reduzir ainda mais os insumos de Nr, como soluções técnicas para emissões agrícolas e industriais e mudanças na prática em setores poluentes. Isso pode incluir um melhor armazenamento de resíduos animais, agricultura de precisão para reduzir os insumos de fertilizantes e a lavagem de gases para remover o nitrogênio das emissões industriais. No entanto, medidas como essas precisam ser amplamente adotadas e apoiadas com limites legislativos.

Há também uma necessidade urgente de abordar a falta de Nr em muitas regiões do mundo para garantir que a produção de alimentos seja suficiente para atender aos requisitos. A falta de nitrogênio é um problema complexo com muitas considerações sociais, e há um debate considerável sobre o papel que os fertilizantes inorgânicos devem desempenhar (4).

Equilibrar essas duas questões contrastantes representa um grande desafio para a comunicação do Nr como um problema ambiental para o público e é um problema que só pode ser resolvido por meio da colaboração entre cientistas naturais e sociais, governos e organizações não-governamentais. Os excessos e escassez continuam a ser os principais problemas ambientais no futuro. Aumentar a conscientização, mudar comportamentos e aumentar a regulamentação, particularmente para reduzir as emissões de nitrogênio, devem se unir para resolver esse problema global.

Fonte: Science Magazine

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