Οι αγρότες αντιμετωπίζουν κρίση φωσφόρου

Ο Roger Sylvester-Bradley περπατά κατά μήκος ενός φράχτη hawthorn, συλλέγοντας μια παχιά φλούδα λάσπης στις δερμάτινες μπότες του, πριν πάει σε ένα απαλά κεκλιμένο πεδίο κριθαριού.

Σκύβει για να μαζέψει ένα σπορόφυτο ύψους αστραγάλου από το έδαφος και εξετάζει την υγιή σφουγγαρίστρα με λεπτές λευκές ρίζες. Γυρίζοντάς τα στα χέρια του, λέει, «όταν βλέπετε ένα φυτό με ανεπάρκεια φωσφόρου, δεν μοιάζει με αυτό.»

Αυτό αποτελεί έκπληξη για τον Sylvester-Bradley, έναν επιστήμονα καλλιεργειών στην ADAS, μια εταιρεία γεωργικών συμβούλων στο Cambridge της Αγγλίας. Ο φωσφόρος εμφανίζεται φυσικά στο έδαφος και είναι ένα κρίσιμο θρεπτικό συστατικό για την ανάπτυξη των φυτών. Για αιώνες, οι αγρότες έχουν προσθέσει επιπλέον στα χωράφια τους για να ενισχύσουν τις συγκομιδές, αλλά ο Sylvester-Bradley και οι συνεργάτες του μελετούν τρόπους παραγωγής τροφίμων χρησιμοποιώντας λιγότερα από αυτά.

Οι λόγοι είναι διττοί: Πρώτον, η απορροή φωσφόρου από τις εκμεταλλεύσεις συμβάλλει στην εκτεταμένη ρύπανση των υδάτων. Δεύτερον, δεν διαθέτουμε φωσφόρο.

Σχεδόν όλο το φώσφορο που χρησιμοποιούν οι αγρότες σήμερα - και που καταναλώνουμε στα τρόφιμα που τρώμε - εξορύσσεται από μερικές πηγές φωσφορικών πετρωμάτων, κυρίως στις Ηνωμένες Πολιτείες, την Κίνα και το Μαρόκο. Με κάποιες εκτιμήσεις, αυτές θα μπορούσαν να εξαντληθούν σε μόλις 50 έως 100 χρόνια. Οι γεωλόγοι γνωρίζουν άλλες εναποθέσεις, αλλά είναι πιο δύσκολο να έχουν πρόσβαση και να περιέχουν λιγότερο φωσφόρο. Έτσι, η τιμή πιθανότατα θα αυξηθεί, καθιστώντας πιο δύσκολο για τους καλλιεργητές να αγοράζουν λιπάσματα και για τους ανθρώπους να αγοράζουν τρόφιμα.

Εδώ και σε άλλους πειραματικούς χώρους στην Αγγλία, ο Sylvester-Bradley και οι συνάδελφοί του έκαναν ένα πρώτο λογικό βήμα προς την αντιμετώπιση του προβλήματος: Σταμάτησαν να προσθέτουν λίπασμα φωσφόρου στο μισό χωράφι κριθαριού για να δουν πώς θα φυτέψουν τα φυτά. Οκτώ χρόνια αργότερα, μόλις άρχισαν να παρατηρούν τις πρώτες επιπτώσεις στο μέγεθος και την απόδοση των καλλιεργειών. Τα φυτά έχουν επιβιώσει από την περίσσεια θρεπτικών συστατικών στο έδαφος - το λεγόμενο κληρονομικό φώσφορο - το οποίο κάποιοι λένε αντιπροσωπεύουν ένα βασικό κομμάτι του παζλ του φωσφόρου.

Οι ερευνητές υπολόγισαν ότι, σε χώρες όπως το Ηνωμένο Βασίλειο και οι Ηνωμένες Πολιτείες, υπάρχουν ήδη λιπάσματα αξίας δισεκατομμυρίων δολαρίων στο έδαφος που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην αντιστάθμιση της ζήτησης για φωσφορικό ορυχείο. Η χρήση του θα περιορίσει επίσης την απορροή φωσφόρου.

Για τον Paul Withers, έναν επιστήμονα εδάφους στο Πανεπιστήμιο του Λάνκαστερ και έναν από τους συνεργάτες του Sylvester-Bradley, η αξιοποίηση του φωσφόρου της κληρονομιάς είναι απαράδεκτη και η συνέχιση του status quo είναι μια συνταγή για οικολογική και ανθρωπιστική καταστροφή. «Δεν μπορούμε να έχουμε τη γεωργία να μολύνει το περιβάλλον και να χρησιμοποιεί πόρους όπως είμαστε», λέει ο Withers. «Απλώς πρόκειται να προκαλέσει κατάρρευση στο τέλος.»

Μια απατηλή θρεπτική ουσία

Ο φωσφόρος είναι μια μη διαπραγματεύσιμη προϋπόθεση για τη ζωή. Είναι η ραχοκοκαλιά του DNA και του P στο ATP - το μόριο που μεταφέρει ενέργεια γύρω από τα κύτταρα. Τα φυτά χρειάζονται φωσφόρο για να αναπτυχθούν, γι 'αυτό οι αγρότες το ταΐζουν στις καλλιέργειες τους εδώ και χιλιετίες.

Στην αρχή, και χωρίς να καταλάβουν τη χημεία, οι άνθρωποι χρησιμοποίησαν κοπριά και ανθρώπινα απόβλητα ως λίπασμα. Στη συνέχεια, το 1800 οι αγρότες αναγνώρισαν ότι τα οστά και τα πετρώματα πλούσια σε φώσφορο λειτουργούσαν επίσης.

Το 1842, ένα πανεπιστήμιο της Οξφόρδης με την ονομασία John Bennet Lawes κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας μια διαδικασία για τη θεραπεία αυτών των νέων μορφών φωσφόρου με οξύ, καθιστώντας τη θρεπτική ουσία πιο προσιτή στα φυτά και σύντομα άρχισε να πουλά το πρώτο ανθρώπινο λίπασμα στον κόσμο.

Ο Lawes οργάνωσε τα σημαντικά του κέρδη πίσω στην έρευνα στο εξοχικό της οικογένειάς του, το οποίο αργότερα έγινε το ερευνητικό κέντρο Rothamsted. Και εκεί, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι ο φωσφόρος ήταν μια κάπως παραπλανητική θρεπτική ουσία.

Το λίπασμα Lawes που κατασκευάστηκε περιείχε μια διαλυτή, ανόργανη μορφή φωσφόρου που τα φυτά μπορούν εύκολα να χρησιμοποιήσουν. Αλλά μόλις ο φωσφόρος χτύπησε το έδαφος, ένα μεγάλο κλάσμα του αντέδρασε με τα ορυκτά του εδάφους, σχηματίζοντας ενώσεις στις οποίες οι καλλιέργειες δεν έχουν πρόσβαση. Μερικοί επίσης κλειδώθηκαν σε εξίσου μη διαθέσιμες οργανικές μορφές.

Από αυτές τις παρατηρήσεις, οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι αγρότες δεν πρέπει να χτυπούν φωσφόρο. Πρέπει να το συσσωρεύσουν, ειδικά καθώς έτρεχαν για να τροφοδοτήσουν τους αυξανόμενους πληθυσμούς του κόσμου κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα.

Εάν ο κληρονομικός φωσφόρος είναι περιβαλλοντική ευθύνη, είναι επίσης μια τεράστια ευκαιρία, σύμφωνα με τον Withers και άλλους επιστήμονες. Αυτός και οι συνεργάτες του υπολόγισαν σε μια μελέτη του 2015 ότι τα χωράφια στο Ηνωμένο Βασίλειο περιέχουν φωσφόρο αξίας άνω των 10 δισεκατομμυρίων δολαρίων, αρκετά για να καλύψουν τη ζήτηση λιπασμάτων της χώρας για έως και 54 χρόνια.

Πολλά άλλα έθνη έχουν παρόμοια αποθέματα. Μια ανάλυση του 2012 διαπίστωσε ότι τα παγκόσμια εδάφη περιέχουν αρκετό κληρονομικό φωσφόρο για να μειώσουν την προβλεπόμενη ζήτηση για νέο λίπασμα στο μισό έως το 2050.

«Τα φυτά μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα λάθη μας από το παρελθόν», λέει η Sheida Sattari, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.

Από τους αριθμούς, ο κληρονομικός φώσφορος μοιάζει με slam dunk. Μπορούν όμως τα φυτά να ζήσουν; Μελέτες δείχνουν ότι, σε μέρη με μακρά ιστορία υπερβολικής χρήσης φωσφόρου, όπως το Ηνωμένο Βασίλειο, οι καλλιέργειες μπορούν να ευδοκιμήσουν για 10 χρόνια ή περισσότερο στα καταστήματα που είναι χτισμένα στο έδαφος. Το πιο ακραίο παράδειγμα προέρχεται από το Σασκάτσουαν, όπου οι ερευνητές δεν έχουν προσθέσει φώσφορο σε σιτάρι από το 1995 και 25 χρόνια αργότερα δεν έχουν ακόμη δει προβλήματα.

Τα συμβατικά μέτρα της χημείας του εδάφους υποδηλώνουν ότι πρέπει να εφαρμόζουν περισσότερο λίπασμα, λέει η Barbara Cade-Menun, η οποία επιβλέπει τα πειράματα στο Swift Current Research and Development Center στον Καναδά. «Αλλά οι αποδόσεις μας δεν αλλάζουν.»

Εξυπνότερες καλλιέργειες

Σε κάποιο σημείο, ωστόσο, ο φώσφορος του εδάφους πέφτει αρκετά χαμηλά ώστε οι καλλιέργειες να γίνονται αγχωμένες. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο γεγονός ότι ορισμένα από αυτά είναι πραγματικά απρόσιτα για τα φυτά, αλλά και επειδή πολλές σύγχρονες καλλιέργειες δεν μπορούν να καταλάβουν τι υπάρχει.

Η έλλειψη φωσφόρου στη φύση ανάγκασε τα άγρια φυτά να αναπτύξουν στρατηγικές για την εξασφάλιση επαρκούς εφοδιασμού. Πολλά εξελίχθηκαν εκτεταμένα ριζικά συστήματα που αναζητούν φωσφόρο. Μερικοί μπορούν επίσης να εκκρίνουν χημικά για να απελευθερώσουν τα θρεπτικά συστατικά από το έδαφος.

Αλλά οι περισσότερες εμπορικές καλλιέργειες δεν έχουν αυτές τις ικανότητες. Οι επιστήμονες τα καλλιεργούσαν σε καλά γονιμοποιημένα εδάφη που δεν απαιτούσαν από τα φυτά να ξοδέψουν ενέργεια χρησιμοποιώντας τέτοια εργαλεία. Και, σε έναν κόσμο άφθονων πόρων, οι κτηνοτρόφοι δεν επέλεξαν ποικιλίες με έντονα χαρακτηριστικά συγκομιδής φωσφόρου. Το αποτέλεσμα, λέει ο Phil Haygarth, επιστήμονας εδάφους στο Πανεπιστήμιο του Λάνκαστερ, είναι «ένα φορτίο ταχέως αναπτυσσόμενων, χαζών φυτών» που αγωνίζονται να εξαγάγουν φωσφόρο από το έδαφος.

Οι ερευνητές θέλουν τώρα να δημιουργήσουν πιο έξυπνες καλλιέργειες. Το 2012, οι επιστήμονες εντόπισαν ένα γονίδιο σε μια αρχαία ποικιλία ιαπωνικού ρυζιού που ενίσχυσε την ικανότητα του φυτού να βρει φωσφόρο αναπτύσσοντας λεπτές ρίζες. Οι ερευνητές έφεραν στη συνέχεια το χαρακτηριστικό σε σύγχρονα φυτά ρυζιού και το 2019 οι αγρότες στη Μαδαγασκάρη - που έχει φυσικά εδάφη φτωχά σε θρεπτικά συστατικά - άρχισαν να δοκιμάζουν μερικές από τις πιο ελπιδοφόρες ποικιλίες.

Ο Sigrid Heuer, ερευνητής στο Rothamsted που βοήθησε στη μελέτη του ρυζιού, αναζητά ένα παρόμοιο γονίδιο στο σιτάρι ως μέρος της Διεθνούς Συνεργασίας Σιτάρι. Άλλοι επιστήμονες αναπτύσσουν ποικιλίες καλλιεργειών που δεν χρειάζονται τόσο πολύ φωσφόρο.

Εκτός από την αναπαραγωγή, η καλλιέργεια χωρίς άροση θα μπορούσε να βοηθήσει με την πρόληψη της συμπίεσης του εδάφους και την ενθάρρυνση της καλής ανάπτυξης ριζών για να βοηθήσουν τα φυτά να αποκτήσουν πρόσβαση σε περισσότερο κληρονομικό φωσφόρο. Η προσθήκη συμβιωτικών μυκήτων που εξαπλώνονται μέσω του εδάφους μπορεί να επεκτείνει την υπόγεια εμβέλεια ενός φυτού και η καλλιέργεια καλλιεργειών παράλληλα με όσπρια και άλλα φυτά που εκκρίνουν ενώσεις που απελευθερώνουν φωσφόρο μπορούν να απελευθερώσουν περισσότερο από τα θρεπτικά συστατικά.

Οι Withers και Sylvester-Bradley έχουν μειώσει τα επίπεδα φωσφόρου στα πεδία δοκιμών τους για τον ακριβή σκοπό της εξερεύνησης αυτού του είδους των προσεγγίσεων.

Οι ερευνητές έπρεπε να εγκαταλείψουν το χωράφι κριθαριού στο Cambridge λόγω αλλαγών στην ιδιοκτησία της φάρμας. Όμως, στις υπόλοιπες τοποθεσίες, τα επίπεδα του φωσφόρου τελικά έπεσαν αρκετά χαμηλά για να αρχίσουν να διεξάγουν πειράματα για το πώς να βοηθήσουν τα φυτά να αποκτήσουν όσο το δυνατόν περισσότερη κληρονομιά φωσφόρου. Το πρώτο θα συγκρίνει την απόδοση των υπαρχουσών εμπορικών ποικιλιών σίτου.

Οι ερευνητές έπρεπε να περιμένουν περισσότερο από το αναμενόμενο - σχεδόν μια δεκαετία - για να μειωθούν τα επίπεδα φωσφόρου στα φυσικά επίπεδα. Αλλά αυτό το γεγονός και μόνο θα πρέπει να καθησυχάσει τους καλλιεργητές ότι μπορούν να μειώσουν με ασφάλεια το θρεπτικό συστατικό, λέει ο Sylvester-Bradley.