Сельскохозяйственное загрязнение относится к биотическим и абиотическим побочным продуктам сельскохозяйственной практики, которые приводят к загрязнению или деградации окружающей среды и окружающих экосистем и/или наносят ущерб людям и их экономическим интересам. Загрязнение может происходить из различных источников: от загрязнения воды из точечных источников (из одной точки сброса) до более диффузных причин на уровне ландшафта, также известных как загрязнение из неточечных источников и загрязнение воздуха . Попадая в окружающую среду, эти загрязняющие вещества могут оказывать как прямое воздействие на окружающие экосистемы, т. е. уничтожать местную дикую природу или загрязнять питьевую воду, так и оказывать воздействие на нижнюю часть реки, например, мертвые зоны, вызванные сельскохозяйственными стоками, которые концентрируются в крупных водоемах.
Практика управления или ее незнание играют решающую роль в количестве и воздействии этих загрязнителей. Методы управления варьируются от содержания и содержания животных до распространения пестицидов и удобрений в мировой сельскохозяйственной практике, что может иметь серьезные последствия для окружающей среды . Плохая практика управления включает в себя плохое управление кормлением животных, чрезмерный выпас скота, вспашку, использование удобрений, а также неправильное, чрезмерное или несвоевременное использование пестицидов.
Загрязнители, образующиеся в результате сельского хозяйства, сильно влияют на качество воды и могут быть обнаружены в озерах, реках, водно-болотных угодьях , устьях рек и грунтовых водах . К загрязнителям, образующимся в результате сельского хозяйства, относятся отложения, питательные вещества, патогены, пестициды, металлы и соли. [1] Животноводство оказывает огромное воздействие на загрязняющие вещества, попадающие в окружающую среду . Бактерии и болезнетворные микроорганизмы, содержащиеся в навозе, могут попасть в ручьи и грунтовые воды, если выпас скота, хранение навоза в лагунах и внесение навоза в поля не осуществляется должным образом. [2] Загрязнение воздуха, вызванное сельским хозяйством из-за изменений в землепользовании и практики животноводства, оказывает огромное влияние на изменение климата , и решение этих проблем было центральной частью Специального доклада МГЭИК об изменении климата и земельных ресурсах . [3] Смягчение сельскохозяйственного загрязнения является ключевым компонентом развития устойчивой продовольственной системы . [4] [5] [6]
Пестициды и гербициды применяются на сельскохозяйственных землях для борьбы с вредителями, нарушающими урожайность сельскохозяйственных культур. Загрязнение почвы может произойти, когда пестициды сохраняются и накапливаются в почве, что может изменить микробные процессы , увеличить поглощение химикатов растениями и быть токсичными для почвенных организмов . Степень сохранения пестицидов и гербицидов зависит от уникального химического состава соединений, который влияет на динамику сорбции и, как следствие, на судьбу и перенос в почвенной среде. [7] Пестициды также могут накапливаться в организме животных, которые поедают зараженных вредителей и почвенные организмы. Кроме того, пестициды могут быть более вредными для полезных насекомых, таких как опылители, и естественных врагов вредителей (т.е. насекомых, которые охотятся на вредителей или паразитируют на них), чем для самих вредителей-мишеней. [8]
Выщелачивание пестицидов происходит, когда пестициды смешиваются с водой и перемещаются через почву, в конечном итоге загрязняя грунтовые воды . Количество выщелачивания коррелирует с конкретными характеристиками почвы и пестицидов, а также с количеством осадков и орошения. Выщелачивание наиболее вероятно произойдет при использовании водорастворимых пестицидов, когда почва имеет песчаную текстуру; если чрезмерный полив происходит сразу после внесения пестицидов; если адсорбционная способность пестицида почвой низкая. Выщелачивание может происходить не только с обработанных полей, но также с мест смешивания пестицидов, мест мойки оборудования для внесения пестицидов или мест захоронения. [9]
Удобрения используются для обеспечения сельскохозяйственных культур дополнительными источниками питательных веществ, таких как азот, фосфор и калий, которые способствуют росту растений и повышают урожайность. Хотя они полезны для роста растений, они также могут нарушать естественные биогеохимические циклы питательных веществ и минералов и представлять угрозу для здоровья человека и окружающей среды.
Азотные удобрения снабжают растения формами азота, биологически доступными для потребления растениями; а именно NO 3 − (нитрат) и NH 4 + (аммоний). Это увеличивает урожайность и продуктивность сельского хозяйства, но также может негативно повлиять на грунтовые и поверхностные воды, загрязнить атмосферу и ухудшить здоровье почвы . Не все питательные вещества, вносимые в удобрения, усваиваются сельскохозяйственными культурами, а остальные накапливаются в почве или теряются со стоками . Нитратные удобрения с гораздо большей вероятностью теряются в почвенном профиле со стоком из-за их высокой растворимости и одинаковых зарядов между молекулами и отрицательно заряженными частицами глины. [10] Высокие нормы внесения азотсодержащих удобрений в сочетании с высокой растворимостью нитратов в воде приводят к увеличению стока в поверхностные воды, а также выщелачиванию в грунтовые воды, что приводит к загрязнению грунтовых вод . Уровни нитратов в грунтовых водах выше 10 мг/л (10 частей на миллион) могут вызвать « синдром голубого ребенка » (приобретенной метгемоглобинемии) у младенцев, а также, возможно, заболевания щитовидной железы и различные виды рака. [11] Азотфиксация, которая преобразует атмосферный азот (N 2 ) в более биологически доступные формы, и денитрификация, которая преобразует биологически доступные соединения азота в N 2 и N 2 O, являются двумя наиболее важными метаболическими процессами, участвующими в азотном цикле. потому что они являются крупнейшим источником и выходом азота в экосистемы. Они позволяют азоту течь между атмосферой (около 78% азота) и биосферой. Другими важными процессами в круговороте азота являются нитрификация и аммонификация, которые превращают аммоний в нитрат или нитрит, а органические вещества в аммиак соответственно. Поскольку эти процессы поддерживают относительно стабильную концентрацию азота в большинстве экосистем, большой приток азота из сельскохозяйственных стоков может вызвать серьезные нарушения. [12] Общим результатом этого в водных экосистемах является эвтрофикация , которая, в свою очередь, создает гипоксические и бескислородные условия, которые смертельно опасны и/или наносят ущерб многим видам. [13] Азотные удобрения также могут привести к выбросу газов NH 3 в атмосферу, которые затем могут быть преобразованы в соединения NO x . Увеличение количества соединений NO x в атмосфере может привести к закислению водных экосистем и вызвать различные респираторные проблемы у людей. Удобрения также могут выделять N 2 O, который является парниковым газом.и может способствовать разрушению озона (O 3 ) в стратосфере. [14] Почвы, получающие азотные удобрения, также могут быть повреждены. Увеличение доступного для растений азота увеличит чистую первичную продукцию сельскохозяйственных культур, и, в конечном итоге, микробная активность почвы увеличится в результате большего поступления азота из удобрений и соединений углерода через разложившуюся биомассу. Из-за увеличения разложения в почве содержание органических веществ в ней будет истощаться, что приводит к ухудшению общего состояния почвы . [15]
Исследование выявило «11 ключевых мер», которые могут снизить загрязнение воздуха и воды азотными химикатами на пахотных землях . Его приоритетные меры включают использование удобрений повышенной эффективности (EEF), улучшение почвы, севооборот бобовых культур и создание буферных зон. В качестве метамеры исследование предлагает « можно реализовать инновационную политику , такую как система азотных кредитов (NCS), для выбора, стимулирования и, при необходимости, субсидирования принятия этих мер». [16]
Одной из альтернатив стандартным азотным удобрениям являются удобрения повышенной эффективности (EEF) . Существует несколько типов EEF, но они обычно делятся на две категории: удобрения с медленным высвобождением и удобрения-ингибиторы нитрификации. Удобрения с медленным высвобождением покрыты полимером, который задерживает и замедляет поступление азота в сельскохозяйственные системы. Ингибиторы нитрификации — это удобрения, покрытые очень гидрофобным соединением серы, которое помогает замедлить выделение азота. ЭЭФ обеспечивают более низкий и более устойчивый приток азота в почву и могут снизить выщелачивание азота и улетучивание соединений NO x , однако научная литература показывает как эффективность, так и неэффективность снижения загрязнения азотом. [17] [18]
Наиболее распространенной формой фосфорных удобрений, используемых в сельском хозяйстве, является фосфат (PO 4 3- ), который применяется в синтетических соединениях, включающих PO 4 3- , или в органических формах, таких как навоз и компост. [19] Фосфор является важным питательным веществом для всех организмов из-за той роли, которую он играет в клеточных и метаболических функциях, таких как производство нуклеиновых кислот и метаболическая передача энергии. Однако большинству организмов, включая сельскохозяйственные культуры, требуется лишь небольшое количество фосфора, поскольку они эволюционировали в экосистемах с относительно низким его количеством. [20] Популяции микробов в почвах способны преобразовывать органические формы фосфора в растворимые формы, доступные для растений, такие как фосфат. При использовании неорганических удобрений этот этап обычно обходят, поскольку он применяется в виде фосфата или других доступных для растений форм. Любой фосфор, который не усваивается растениями, адсорбируется частицами почвы, что помогает ему оставаться на месте. Из-за этого он обычно попадает в поверхностные воды, когда частицы почвы, к которым он прикреплен, размываются в результате осадков или ливневого стока . Количество, попадающее в поверхностные воды, относительно невелико по сравнению с количеством, которое вносится в качестве удобрения, но поскольку оно действует как лимитирующее питательное вещество в большинстве сред, даже небольшое его количество может нарушить естественные биогеохимические циклы фосфора в экосистеме. [21] Хотя азот играет роль в вредоносном цветении водорослей и цианобактерий, вызывающем эвтрофикацию, избыток фосфора считается крупнейшим способствующим фактором, поскольку фосфор часто является наиболее лимитирующим питательным веществом, особенно в пресных водах. [22] Помимо снижения уровня кислорода в поверхностных водах, цветение водорослей и цианобактерий может производить цианотоксины, которые вредны для здоровья человека и животных, а также для многих водных организмов. [23]
Концентрация кадмия в фосфорсодержащих удобрениях значительно варьируется и может быть проблематичной. Например, моноаммонийфосфатное удобрение может иметь содержание кадмия от 0,14 мг/кг до 50,9 мг/кг. Это связано с тем, что фосфориты , используемые при их производстве, могут содержать до 188 мг/кг кадмия (примерами являются месторождения на Науру и островах Рождества). Постоянное использование удобрений с высоким содержанием кадмия может загрязнить почву и растения. Ограничения на содержание кадмия в фосфорных удобрениях были рассмотрены Европейской Комиссией . Производители фосфорсодержащих удобрений теперь выбирают фосфориты по содержанию кадмия. [24] Фосфатные породы содержат высокий уровень фторида . Следовательно, широкое использование фосфорных удобрений привело к увеличению концентрации фторида в почве. Было обнаружено, что загрязнение пищевых продуктов удобрениями не вызывает особого беспокойства, поскольку растения накапливают мало фтора из почвы; большую озабоченность вызывает возможность токсичности фторида для домашнего скота, который потребляет загрязненную почву. Также возможное беспокойство вызывает воздействие фторида на почвенные микроорганизмы. [25]
Радиоактивное содержание удобрений значительно варьируется и зависит как от их концентрации в исходном минерале, так и от процесса производства удобрений. Диапазон концентраций урана-238 может составлять от 7 до 100 пКи/г в фосфоритах и от 1 до 67 пКи/г в фосфоритных удобрениях. При использовании высоких годовых норм фосфорных удобрений это может привести к тому, что концентрации урана-238 в почвах и дренажных водах в несколько раз превышают нормальные. Однако влияние этих повышений на риск для здоровья человека от загрязнения пищевых продуктов радионуклидами очень незначительно (менее 0,05 мЗв/год). [ нужна цитата ]
Навоз и твердые биологические вещества содержат множество питательных веществ, потребляемых животными и людьми в виде пищи. Практика возврата таких отходов на сельскохозяйственные угодья дает возможность повторно использовать питательные вещества почвы. Проблема заключается в том, что навоз и твердые биологические вещества содержат не только питательные вещества, такие как углерод, азот и фосфор, но также могут содержать загрязняющие вещества, в том числе фармацевтические препараты и средства личной гигиены (PPCP). Существует большое разнообразие и огромное количество PPCP, потребляемых как людьми, так и животными, и каждый из них имеет уникальный химический состав в наземной и водной среде. Таким образом, не все из них были оценены на предмет их воздействия на качество почвы, воды и воздуха. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) исследовало осадки сточных вод очистных сооружений по всей территории США, чтобы оценить уровни присутствия различных PPCP. [26]
Основными источниками тяжелых металлов (например, свинца, кадмия, мышьяка, ртути) в сельскохозяйственные системы являются удобрения, органические отходы, такие как навоз, и побочные промышленные отходы. Неорганические удобрения особенно представляют собой важный путь поступления тяжелых металлов в почву. [27] Некоторые методы ведения сельского хозяйства, такие как орошение, могут привести к накоплению селена (Se), который естественным образом встречается в почве, что может привести к образованию водоемов ниже по течению, содержащих концентрации селена, токсичные для дикой природы, домашнего скота и людей. Этот процесс известен как «Эффект Кестерсона», одноименный по названию водохранилища Кестерсон в долине Сан-Хоакин (Калифорния, США), которое в 1987 году было объявлено свалкой токсичных отходов. [28] Тяжелые металлы, присутствующие в окружающей среде, можно взять с собой. растениями, которые могут представлять опасность для здоровья человека в случае употребления в пищу пораженных растений. [29] Некоторые металлы необходимы для роста растений, однако их избыток может иметь неблагоприятные последствия для здоровья растений.
Отходы сталелитейной промышленности , которые часто перерабатываются в удобрения из-за высокого содержания цинка (необходимого для роста растений), также могут включать следующие токсичные металлы: свинец , мышьяк , кадмий, хром и никель . Наиболее распространенными токсичными элементами в этом типе удобрений являются ртуть , свинец и мышьяк. Эти потенциально вредные примеси можно удалить при производстве удобрений; однако это значительно увеличивает стоимость удобрений. Высокочистые удобрения широко доступны и, пожалуй, наиболее известны как хорошо растворимые в воде удобрения, содержащие синие красители. Подобные удобрения обычно используются в домашних условиях, например Miracle-Gro . Эти хорошо растворимые в воде удобрения используются в питомниках растений и доступны в более крупных упаковках по значительно меньшей цене, чем в розничных количествах. Есть также несколько недорогих гранулированных садовых удобрений, изготовленных из ингредиентов высокой чистоты, что ограничивает производство. [ нужна цитата ]
Сельское хозяйство вносит значительный вклад в эрозию почвы и отложение наносов из-за интенсивного управления или неэффективного растительного покрова. [30] По оценкам, деградация сельскохозяйственных земель приводит к необратимому снижению плодородия примерно на 6 млн га плодородных земель каждый год. [31] Накопление отложений (т.е. седиментация) в сточных водах по-разному влияет на качество воды. [ нужна цитата ] Отложения могут уменьшить пропускную способность канав, ручьев, рек и судоходных каналов. Это также может ограничить количество света, проникающего в воду, что влияет на водную биоту. Возникающая в результате мутности отложений может повлиять на пищевые привычки рыб, влияя на динамику популяций. Седиментация также влияет на перенос и накопление загрязняющих веществ, включая фосфор и различные пестициды. [32]
Естественные почвенные биогеохимические процессы приводят к выбросам различных парниковых газов, в том числе закиси азота. Практика управления сельским хозяйством может влиять на уровень выбросов. Например, было показано, что уровень обработки почвы влияет на выбросы закиси азота . [33]
С экологической точки зрения, внесение удобрений , перепроизводство и использование пестицидов в традиционном сельском хозяйстве нанесли и продолжают наносить во всем мире огромный ущерб местным экосистемам , здоровью почвы , [34] [35] [36] биоразнообразию, грунтовым и питьевым водам , а иногда и здоровье и рождаемость фермеров . [37] [38] [39] [40] [41]
Органическое сельское хозяйство обычно снижает некоторое воздействие на окружающую среду по сравнению с традиционным сельским хозяйством, но масштабы снижения сложно определить количественно и варьируются в зависимости от методов ведения сельского хозяйства. В некоторых случаях сокращение пищевых отходов и изменение рациона питания могут принести большую пользу. [41] Исследование, проведенное в 2020 году в Техническом университете Мюнхена, показало, что выбросы парниковых газов от продуктов растительного происхождения, выращенных органически, были ниже, чем от продуктов растительного происхождения, выращенных традиционным способом. Затраты на выбросы парниковых газов в мясе, произведенном органическим способом, были примерно такими же, как и в мясе, произведенном неорганически. [42] [43] Однако в том же документе отмечается, что переход от традиционных методов к органическим, вероятно, будет полезен для долгосрочной эффективности и экосистемных услуг и, вероятно, со временем улучшит почву. [43]
Исследование по оценке жизненного цикла, проведенное в 2019 году, показало, что перевод всего сельскохозяйственного сектора (как растениеводства, так и животноводства) в Англии и Уэльсе на методы органического земледелия приведет к чистому увеличению выбросов парниковых газов за счет увеличения использования земель за границей для производства и импорта сельскохозяйственных культур. потребуется, чтобы компенсировать более низкую урожайность органических продуктов внутри страны. [44]Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций (ФАО) прогнозирует, что 18% антропогенных парниковых газов прямо или косвенно поступает от мирового скота. В этом отчете также предполагается, что выбросы от животноводства превышают выбросы от транспортного сектора. Хотя в настоящее время животноводство действительно играет роль в производстве выбросов парниковых газов , утверждается, что эти оценки являются искажением. Хотя ФАО использовала оценку жизненного цикла животноводства (т.е. все аспекты, включая выбросы от выращивания сельскохозяйственных культур на корм, транспортировки на убой и т. д.), она не применяла ту же оценку для транспортного сектора. [45]
Альтернативные источники [46] утверждают, что оценки ФАО слишком занижены, заявляя, что мировая животноводческая отрасль может нести ответственность за до 51% выбросов в атмосферу парниковых газов, а не за 18%. [47] Критики говорят, что разница в оценках связана с использованием ФАО устаревших данных. Тем не менее, если отчет ФАО о 18% соответствует действительности, это все равно делает животноводство вторым по величине загрязнителем парниковых газов.
Модель PNAS показала, что даже если бы животные были полностью исключены из сельского хозяйства и рациона США, выбросы парниковых газов в США сократились бы только на 2,6% (или 28% выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве). Это связано с необходимостью замены навоза удобрениями, а также других побочных продуктов животного происхождения, а также потому, что домашний скот в настоящее время использует несъедобные для человека продукты питания и побочные продукты переработки клетчатки. Более того, люди будут страдать от большего количества дефицита основных питательных веществ, хотя и будут получать больший избыток энергии, что, возможно, приведет к большему ожирению. [48]
Биопестициды – это пестициды, полученные из природных материалов (животных, растений, микроорганизмов, некоторых минералов). [49] В качестве альтернативы традиционным пестицидам биопестициды могут снизить общее сельскохозяйственное загрязнение, поскольку с ними безопасно обращаться, они обычно не оказывают сильного воздействия на полезных беспозвоночных или позвоночных животных и имеют короткое остаточное время. [49] Однако существуют некоторые опасения, что биопестициды могут оказывать негативное воздействие на популяции нецелевых видов. [50]
В Соединенных Штатах биопестициды регулируются Агентством по охране окружающей среды. Поскольку биопестициды менее вредны и оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, чем другие пестициды, агентству не требуется столько данных для регистрации их использования. Многие биопестициды разрешены Национальной органической программой Министерства сельского хозяйства США и стандартами органического растениеводства. [49]
Растущая глобализация сельского хозяйства привела к случайному переносу вредителей, сорняков и болезней в новые ареалы. Если они приживутся, они станут инвазивными видами, которые могут повлиять на популяции местных видов [51] и поставить под угрозу сельскохозяйственное производство. [8] Например, транспортировка шмелей , выращенных в Европе и отправленных в Соединенные Штаты и/или Канаду для использования в качестве коммерческих опылителей , привела к заносу паразита Старого Света в Новый Свет. [52] Это введение может сыграть роль в недавнем сокращении численности местных шмелей в Северной Америке. [53] Интродуцированные в сельском хозяйстве виды также могут гибридизоваться с местными видами, что приводит к снижению генетического биоразнообразия [51] и ставит под угрозу сельскохозяйственное производство. [8]
Нарушение среды обитания , связанное с самими методами ведения сельского хозяйства, также может способствовать укоренению этих интродуцированных организмов. Загрязненная техника, домашний скот и корма, а также зараженные семена сельскохозяйственных культур или пастбищ также могут привести к распространению сорняков. [54]
Карантины (см. раздел «Биобезопасность ») являются одним из способов регулирования предотвращения распространения инвазивных видов на политическом уровне. Карантин – это правовой инструмент, ограничивающий перемещение зараженного материала из районов, где присутствует инвазивный вид, в районы, в которых он отсутствует. Всемирная торговая организация имеет международные правила карантина вредителей и болезней в соответствии с Соглашением о применении санитарных и фитосанитарных мер . Отдельные страны часто имеют свои собственные правила карантина. В Соединенных Штатах, например, Министерство сельского хозяйства США / Служба инспекции здоровья животных и растений (USDA/APHIS) управляет внутренним (в пределах Соединенных Штатов) и иностранным (импорт из-за пределов Соединенных Штатов) карантином. За соблюдением карантина следят инспекторы на государственных границах и в портах въезда. [49]
Использование биологических средств борьбы с вредителями или использование хищников, паразитоидов , паразитов и патогенов для борьбы с сельскохозяйственными вредителями потенциально может снизить загрязнение сельского хозяйства, связанное с другими методами борьбы с вредителями, такими как использование пестицидов. Однако преимущества внедрения неродных агентов биоконтроля широко обсуждаются. После высвобождения введение агента биоконтроля может стать необратимым. Потенциальные экологические проблемы могут включать в себя расселение из сельскохозяйственных мест обитания в естественную среду, а также смену хозяина или адаптацию к использованию местных видов. Кроме того, предсказать результаты взаимодействия в сложных экосистемах и потенциальные экологические последствия до выброса может быть сложно. Один из примеров программы биоконтроля, которая привела к экологическому ущербу, произошел в Северной Америке, где паразитоид бабочек был завезен для борьбы с непарным шелкопрядом и бурохвостой плодожоркой. Этот паразитоид способен использовать многие виды бабочек-хозяев и, вероятно, привел к сокращению и истреблению нескольких местных видов шелкопряда. [55]
Международным исследованиям потенциальных агентов биоконтроля помогают такие агентства, как Европейская лаборатория биологического контроля, Министерство сельского хозяйства США/ Служба сельскохозяйственных исследований (USDA/ARS), Институт биологического контроля Содружества и Международная организация по биологическому контролю вредных веществ. Растения и животные. Чтобы предотвратить загрязнение сельского хозяйства, перед интродукцией требуется карантин и обширные исследования потенциальной эффективности организма и воздействия на окружающую среду. В случае одобрения предпринимаются попытки колонизировать и распространить агент биоконтроля в соответствующих сельскохозяйственных условиях. Проводятся постоянные оценки их эффективности. [49]
Однако ГМО-культуры могут привести к генетическому загрязнению местных видов растений в результате гибридизации. Это может привести к усилению засоренности растения или исчезновению местных видов. Кроме того, само трансгенное растение может стать сорняком, если модификация улучшит его приспособленность к данной среде. [8]
Существуют также опасения, что нецелевые организмы, такие как опылители и естественные враги, могут быть отравлены при случайном проглатывании Bt-продуцирующих растений. Недавнее исследование, проверяющее влияние пыльцы кукурузы Bt, опыляющей близлежащие растения молочая, на питание личинок бабочки-монарха, показало, что угроза для популяций монарха была низкой. [8]
Использование ГМО-растений, устойчивых к гербицидам, также может косвенно увеличить объем сельскохозяйственного загрязнения, связанного с использованием гербицидов . Например, более широкое использование гербицидов на устойчивых к гербицидам кукурузных полях на Среднем Западе США приводит к уменьшению количества молочая, доступного для личинок бабочки-монарха . [8]
Регулирование выпуска генетически модифицированных организмов варьируется в зависимости от типа организма и соответствующей страны. [ нужна цитата ]
Хотя могут возникнуть некоторые опасения по поводу использования ГМ-продуктов, это также может быть решением некоторых существующих проблем загрязнения в животноводстве. Одним из основных источников загрязнения, особенно заносом витаминов и минералов в почву, является недостаточное пищеварение у животных. Повышая эффективность пищеварения, можно минимизировать как затраты на животноводство, так и ущерб окружающей среде. Одним из успешных примеров этой технологии и ее потенциального применения является Enviropig. [ нужна цитата ]
Энвиропиг — это генетически модифицированная йоркширская свинья, которая экспрессирует фитазу в своей слюне. Зерна, такие как кукуруза и пшеница, содержат фосфор, который связан в естественно неперевариваемой форме, известной как фитиновая кислота. Затем в рацион добавляют фосфор , важное питательное вещество для свиней, поскольку он не расщепляется в пищеварительном тракте свиней. В результате почти весь фосфор, который естественным образом содержится в зерне, теряется с фекалиями и может способствовать повышению его уровня в почве. Фитаза – это фермент, который способен расщеплять неперевариваемую фитиновую кислоту, делая ее доступной для свиней. Способность Enviropig переваривать фосфор из зерна исключает потери этого природного фосфора (снижение на 20-60%), а также устраняет необходимость добавления питательных веществ в корм. [56]
Одним из основных источников загрязнения воздуха, почвы и воды являются отходы животноводства. Согласно отчету Министерства сельского хозяйства США за 2005 год, на фермах в Соединенных Штатах ежегодно производится более 335 миллионов тонн отходов «сухого вещества» (отходов после удаления воды). [57] Операции по кормлению животных производят примерно в 100 раз больше навоза, чем количество осадка сточных вод человека, перерабатываемого на городских очистных сооружениях США каждый год. Загрязнение от диффузных источников сельскохозяйственных удобрений труднее отслеживать, контролировать и контролировать. Высокие концентрации нитратов обнаруживаются в грунтовых водах и могут достигать 50 мг/литр (предел, установленный Директивой ЕС). Загрязнение питательными веществами удобрений в канавах и руслах рек вызывает эвтрофикацию. Хуже зимой, после того как осенняя вспашка вызвала выброс нитратов; Зимние осадки становятся более тяжелыми, что приводит к увеличению стока и выщелачивания, а поглощение растениями снижается. Агентство по охране окружающей среды предполагает, что одна молочная ферма с 2500 коровами производит столько же отходов, сколько город с населением около 411 000 человек. [58] Национальный исследовательский совет США определил запахи как наиболее серьезную проблему выбросов животных на местном уровне. Различные системы животноводства приняли несколько процедур управления отходами, чтобы справиться с большим количеством отходов, образующихся ежегодно.
Преимущества обработки навозом заключаются в уменьшении количества навоза, который необходимо транспортировать и вносить под посевы, а также в уменьшении уплотнения почвы. Количество питательных веществ также снижается, а это означает, что для внесения навоза требуется меньше пахотных земель. Обработка навоза также может снизить риск для здоровья человека и биобезопасности за счет уменьшения количества патогенов, присутствующих в навозе. Неразбавленный навоз или навоз животных в сто раз более концентрирован, чем бытовые сточные воды, и может содержать кишечного паразита Cryptosporidium , которого трудно обнаружить, но который может передаваться человеку. Силосный раствор (из ферментированной влажной травы) даже более крепкий, чем навоз, с низким pH и очень высокой биологической потребностью в кислороде. При низком pH силосный раствор может быть очень коррозионным; он может воздействовать на синтетические материалы, вызывая повреждение складского оборудования и приводя к случайной утечке. Все эти преимущества можно оптимизировать, используя правильную систему обращения с навозом на правильной ферме с учетом имеющихся ресурсов. [ нужна цитата ]
Компостирование — это система управления твердым навозом, в которой используется твердый навоз из загонов с подстилкой или твердые вещества из сепаратора жидкого навоза. Существует два метода компостирования: активный и пассивный. Навоз периодически сбивается во время активного компостирования, тогда как при пассивном компостировании этого не происходит. Было обнаружено, что пассивное компостирование приводит к меньшим выбросам парниковых газов из-за неполного разложения и более низкой скорости диффузии газа. [ нужна цитата ]
Навоз можно механически разделить на твердую и жидкую части для облегчения утилизации. Жидкости (4–8% сухого вещества) можно легко использовать в насосных системах для удобного распределения по сельскохозяйственным культурам, а твердую фракцию (15–30% сухого вещества) можно использовать в качестве подстилки в стойлах, разбрасывать по сельскохозяйственным культурам, компостировать или экспортировать. [ нужна цитата ]
Анаэробное сбраживание — это биологическая обработка жидких отходов животноводства с использованием бактерий в зоне отсутствия воздуха, что способствует разложению органических твердых веществ. Горячая вода используется для нагрева отходов с целью увеличения скорости производства биогаза . [59] Оставшаяся жидкость богата питательными веществами и может использоваться на полях в качестве удобрения и газообразного метана, который можно сжигать непосредственно в биогазовой печи [60] или в двигателе-генераторе для производства электроэнергии и тепла. [59] [61] Метан примерно в 20 раз более эффективен как парниковый газ, чем углекислый газ, который имеет значительные негативные последствия для окружающей среды, если его не контролировать должным образом. Анаэробная обработка отходов — лучший метод борьбы с запахом, связанным с уборкой навоза. [59]
В лагунах биологической очистки также используется анаэробное сбраживание для расщепления твердых веществ, но гораздо медленнее. В лагунах поддерживается температура окружающей среды, в отличие от подогреваемых резервуаров для разложения. Для правильной работы лагунам требуются большие земельные площади и большие объемы разбавления, поэтому они не очень хорошо работают во многих климатических условиях северной части Соединенных Штатов. Лагуны также обладают преимуществом уменьшения запаха, а биогаз используется для производства тепла и электроэнергии. [62]
Исследования показали, что выбросы парниковых газов сокращаются при использовании систем аэробного сбраживания. Сокращение выбросов парниковых газов и кредиты могут помочь компенсировать более высокие затраты на установку более чистых аэробных технологий и способствовать внедрению производителями экологически более совершенных технологий для замены нынешних анаэробных лагун. [63]
Эта статья включает в себя общедоступные материалы Джаспера Вомаха. Отчет для Конгресса: Сельское хозяйство: Глоссарий терминов, программ и законов, издание 2005 г. (PDF) . Исследовательская служба Конгресса .