Nový problém: globální cyklus dusíku

Polovina všech syntetických dusíkatých hnojiv byla vyrobena v posledních dvaceti letech! I ten ošklivý oxid uhličitý je ve srovnání s dusíkem k biosféře velice něžný.

Až příliš dlouho jsme se soustřeďovali na geochemické cykly uhlíku a síry, protože mají přímý dopad na globální oteplování (způsobené vzrůstajícím obsahem oxidu uhličitého v atmosféře) a na lokální ochlazování (způsobené síranovými aerosoly). Dusík není vidět a téměř nereaguje s dalšími látkami. Vypadal tedy mezi ambivalentním uhlíkem, jehož atmosférický cyklus život udržuje i ničí, a čertovskou sírou jako velice nudný prvek. Ve skutečnosti je třetím z pětice hlavních hráčů, kteří spolu hrají o biodiverzitu. Ti další dva jsou fosfor a železo.

Dusík je obsažen v aminokyselinách, DNA, proteinech a mnoha dalších organických látkách. Zjednodušeně řečeno, můžeme rozlišovat dva druhy dusíku:

• „Inertní“ dusík. Atmosféra je tvořena převážně dusíkem (78 objemových procent či 75 hmotnostních procent), který s dalšími důležitými látkami, jako je kyslík, reaguje jen v malém množství. Ultrafialové záření a elektrický výboj, tedy blesk, jsou schopny okysličit atmosférický dusík na směs oxidů dusíku, které reagují se srážkovou vodou na kyseliny. Ty se v půdním pokryvu snadno neutralizují za vzniku dusitanů a dusičnanů, které jsou v mnoha různých reakcích dále zpracovávány mikroorganizmy na další látky, zejména dusičnany. V této podobě je přijímají rostliny, jež z nich vytvářejí složité organické molekuly, jako jsou proteiny. Některé pozemské a několik málo mořských mikroorganizmů včetně bakterií, sinic a řas jsou schopny oxidovat přímo vzdušný dusík a převádět jej na finální produkt, jímž jsou dusičnany. Přirozený pozemský cyklus dusíku je založen zejména na koloběhu mezi půdou, rostlinou, býložravcem, býložravcovým trusem a opět půdou. Zdroje ani propady nejsou za běžných, tedy lidmi neovlivněných, podmínek velké – něco dusičnanů sice vzniká atmosférickými reakcemi, jenže dusičnany jsou v anoxickém prostředí redukovány různými mikroorganizmy na kyslík, který je „dýchán“, a dusík, jenž se uvolňuje zpět do atmosféry.
• Reaktivní dusík. Zjednodušeně řečeno jde o dusík, který není v plynné formě. Tvoří jen malou, ale pro život naprosto nezbytnou část globálního dusíkového zásobníku. Univerzálnost dusíku se podobá všestrannosti uhlíku, síry a železa, tedy dobře dostupných biogenních prvků schopných existovat v různých oxidačních vazbách, a tím se podle potřeby účastnit řady oxidačních i redukčních reakcí. Tyto reakce mohou u dusíku probíhat velice pozvolna nebo – u nitroglycerinu – neobyčejně bouřlivě. Podobně jako je tomu v globálním cyklu uhlíku, má i dusík řadu zásobníků, ale je tu jeden velký rozdíl. Oběh dusíku je rychlý (např. v půdách zůstává průměrná dusíkatá molekula jen 50 let), zatímco uhlík např. v karbonátové vazbě může existovat miliony let.

Priority neolitické ochrany přírody

Kdyby bývala v neolitu existovala ochrana přírody, snadno se mohlo stát, že nějaká Natura Neolitika by jako jednu ze svých priorit vytyčila ochranu užitečných, ale velice vzácných kopřiv. V přírodě bylo totiž prostředí bohaté dusičnany spíš anomálií, zatímco dnes, jak nasvědčuje výskyt nitrofilních kopřiv, spíš pravidlem. Globální nadbytek reaktivního dusíku je způsoben třemi hlavními typy reakcí:

• Pěstování luštěnin. Je dobře známo, že některé rostliny, zejména luštěniny, žijí v symbióze s nitrifikačními bakteriemi. Čím víc lidí, tím víc krků, a tím víc luštěnin. Tento zdroj reaktivního dusíku nám vadí nejméně – na poli už stejně nerostly žádné vzácné rostliny (jenom to pole tam třeba nemuselo být), ušetřili jsme energii za syntézu dusičnanů, a hlavně se většina dusíku váže do zemědělských plodin. Tento dusík vadí nepřímo – to když velká města na pobřeží „pumpují“ své splašky bohaté dusíkem rovnou do moře.
• Spalovací motory. Spalováním kyslíku ve spalovacích motorech, dnes zejména v automobilech, se mění „inertní“ vzdušný dusík na oxidy dusíku, a posléze na směs kyselin, která přispívá k okyselení prostředí. Přestože počet automobilů nedávno přesáhl 600 milionů, nikdo toto číslo neoslavoval. Strojová populace dále roste, diverzifikuje se a propojuje se do složitých hierarchických systémů, ve kterých objevujeme příklady dominance (terénní vozy), parazitizmu (odtahové vozy) či mutualizmu (cisterny). Zároveň se ukazuje, že automobily způsobují závislosti, a dokonce jsou schopny – podobně jako některé motolice – měnit mozek svých nositelů.
• Haberova-Boschova reakce. Fyzikální chemik Fritz Haber získal r. 1918. Nobelovu cenu za objev, který učinil téměř o dvacet let dříve – za syntézu amoniaku přímo z dusíku a vodíku. Tento proces rozpracoval do průmyslového měřítka jeho kolega Karl Bosch, který za něj a další vysokotlaké experimenty získal společně s Friedrichem Bergiusem Nobelovu cenu v roce 1931. Jde o reakci mezi vodíkem a dusíkem, které se za vysoké teploty i tlaku a v přítomnosti katalyzátoru (obvykle některého z oxidů železa) slučují na amoniak. Z amoniaku se vyrábí to nejjednodušší hnojivo – dusičnan amonný.

Po zásluze by v každém městě měl stát Haberův a Boschův pomník a jejich narozeniny bychom měli organizovaně oslavovat. Jejich objev má dva úžasné rysy: Na syntetických hnojivech vyráběných převážně touto reakcí závisejí potraviny pro zhruba 40 % světové populace. Navíc objev přišel v pravou chvíli, právě se začaly vyčerpávat zásoby přírodních dusičnanů – chilská guanová ložiska. Syntetická hnojiva umožnila vyšší výnosy a víc lidí mohlo pracovat v průmyslu. Bez Haberovy-Boschovy reakce by na Zemi bývalo žilo méně lidí, možná ve větší chudobě, a globální změny klimatu a prostředí by byly před námi, zatímco dnes nejen klepou na dveře, ale už vstupují dovnitř. Habere a Boschi, buďte pochváleni, buďte zatraceni! Ale vězte, že na lidstvo jste měli nejspíš větší dopad než Karel Marx a Bedřich Engels.

Ekosystémové zdraví aneb Jak medúzy odstavily Reagana

Množství reaktivního dusíku vyráběného lidmi převyšuje přírodní toky. Obvykle se uvádí, že roční přirozený tok reaktivního dusíku se pohybuje kolem 140 milionů tun a lidská produkce dosahuje 210 milionů tun. Jiné odhady uvádějí pro přirozené roční toky kolem 100–200 milionů tun a přibližně stejné či o něco větší množství pro umělé toky. Lesy Skandinávie dostávají desetkrát až dvacetkrát víc reaktivního dusíku než před sto lety. Pobřeží Floridy, Jamajky, východu USA či Evropy jsou dnes zásobována několikanásobně většími zátěžemi dusíku. Baltické moře začíná být považováno za nejrozsáhlejší „mrtvou zónu“ mezi mělkými moři. Tato mrtvá zóna ve skutečnosti kypí životem, je to však život sinic a medúz, nikoliv ryb a korýšů. Úroveň světového rybolovu od roku 1980 neustále klesá. Došlo k přelovení zejména větších ryb, které se živí řasami. Řasy už nejsou spásány rybami, ale naopak hnojeny dusičnany.

Poměrně běžné situaci, kdy toxiny přemnožených řas a nedostatek kyslíku zabíjejí ryby, které pak plavou na hladině v páchnoucí žlutozelené siničné břečce, říkají námořníci na Baltu „rebarborová polévka“. Celkové množství medúz je dnes asi desetkrát vyšší než v polovině minulého století. Drobné medúzy nasávané do chladicího systému dokonce odstavily největší letadlovou loď světa – Ronald Reagan. Snad ze všech korálových útesů světa přicházejí stejné zprávy o odumírání korálů a ohrožení celých ekosystémů. Zpočátku to bylo přičítáno globálnímu oteplení, ale dnes je za hlavního škůdce považován reaktivní dusík, který posunul přesně nastavenou rovnováhu mezi láčkovcem a řasou ve prospěch řasy. Korálový útes pak dopadne tak, že rychle poroste nitrofilními sinicemi a řasami, které posléze spotřebují kyslík a změní povrch útesu v šedavou břečku, podobnou kachnímu rybníčku na české návsi. Nejde přitom o ohrožení nějakých okrajových partií, ale třeba na Floridě byly pozorovány závažné změny na 95 % plochy třetího největšího bariérového útesu světa.

Polovina všech syntetických dusíkatých hnojiv byla vyrobena v posledních dvaceti letech! Rychlost změn globálního cyklu dusíku a celkové množství vyráběných dusíkatých látek jsou závratné. A slovo „závratné“ v tomto případě znamená obrovské, zarážející, neuvěřitelné. Teprve r. 1998 byla v Holandsku svolána první velká dusíková konference (First Nitrogen Conference) a o tři roky později se v New Yorku konala druhá. Z ní vyšlo doporučení založit „Mezinárodní dusíkovou iniciativu“ (INI, 2003 – viz www.initrogen.org). Ta má především tři cíle: poznat, kde dusík schází, kde přebývá a jaký to má vliv na místní společnosti a ekosystémy.

Zkusme (se všemi nejistotami plynoucími z výzkumu, jenž se rozbíhá) definovat hlavní problémové okruhy spjaté se zvýšenými globálními toky reaktivního dusíku:

Acidifikace: Odsířením tepelných elektráren byla omezena síranová acidifikace, ale byla nahrazena dusíkovou, kde hlavním zdrojem jsou oxidy dusíku uvolňované automobilovou dopravou.

Víc troposférického ozonu: Oxidy dusíku jsou prekurzorem troposférického ozonu. Stačí si všímat, jak hnědnou a odumírají stromy na okrajích dálnic, a to zejména v místech, kde silnice stoupá.

Větší ozonová díra? Zatím o tom víme velice málo, ale existuje podezření, že část oxidů dusíku sice ozon vytváří, ale část jej rovněž likviduje. Oxidů dusíku je několik, fungují v dynamických směsích a to nejhorší, co by se mohlo stát, by bylo, kdyby oxidy dusíku úspěšně nahradily „freony“.

Skleníkový jev: Oxidy dusíku jej zvětšují

Eutrofizace a snížení biodiverzity: U nás vnímáme, jak příroda zarůstá nitrofilními kopřivami a bezem. V Kalifornii pozorují zarůstání endemitické vegetace na hadcových stepích. V Českém krasu vidíme zarůstání skalních stěn, které nikdy dřív nebyly porostlé. Pohnojená příroda zastoupená těmi nejběžnějšími rostlinami útočí na výspy blokované sukcese s nejcennějšími „kytkami“. Mění se půdní poměry, a asi vůbec nejhorší jsou dalekosáhlé změny v pobřežních mořích všech osídlených kontinentů.

Smog: Pozorujeme město a při bočním pohledu vidíme, jak se nad ním vznáší hnědavý opar s fialovým nádechem. To jsou hlavně oxidy dusíku, jež jsou vázány na drobné částice pocházející z automobilů.

Pramínky globální změny

Populace lidí i strojů roste a problém bude pokračovat. Bude nutné živit víc břich i nádrží. Výroba syntetických hnojiv je navíc energeticky velice náročná – už jenom z toho důvodu, že vycházíme z vodíku. Spotřebovává asi 40 % celkových energetických nákladů v zemědělství.

Pokud se nad celou věcí zamyslím hlouběji, vyjde mi, že jedním ze základních rysů této doby se čím dál více stává plíživost. Globální cykly prvků, poškození ekosystémů, eroze půdy, nadměrný výlov ryb a řada dalších faktorů se každým rokem nepozorovatelně mění a mnohdy zvětšují. Skoro nepoznáme, že v intravilánu obce kopřivy letos obsadily o 2 % plochy víc než loni, že se počet druhů ryb na útesu za rok snížil o 0,6 %, že z hadcové stepi křoviny zase ukrojily pás široký dva metry. Skoro není o čem psát, změny jsou malé a náprava by byla neúměrně drahá nebo nemožná. Necháváme to být. Změny se dějí neustále a jistě bychom je dokázali ustát, kdyby se týkaly jednoho ekosystému, jednoho prvku, jednoho aspektu. Jako lidstvo jsme docela dobří, když zahlazujeme viditelné následky velké katastrofy, ale zcela selháváme u tisíce drobných souběžných proměn, jež jako malé pramínky budou jednou schopny zaplnit velké koryto globální změny.