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化肥导致"氮污染"?这种玉米能从空气中自给自足

发布时间:18-09-06

据美国生活科学网站报道,一种黏液玉米能够解决地球上最大的污染问题吗?它可能看上去并不像你之前所见过的任何玉米物种,玉米茎杆高5米,大约是普通玉米的两倍多,生长出指状突起物,上面覆盖着一层黏液。

尽管这种玉米看上去非常怪异,像是来自外星球,但它原产地是墨西哥瓦哈卡州塞拉米谢地区,当地人长期种植并食用这种玉米,它还有另一种令人震惊的特性——这是科学家迄今所知唯一可以直接从空气中吸收氮,并利用氮生长的玉米品种。

化肥导致氮污染?这种玉米能从空气中自给自足

氮是一种必需营养物质,这种黏液玉米能够吸收改变全球气候的氮气,从而减少氮污染,目前氮污染已成为困扰全球的最大环境问题之一。

固氮的作用是什么?

地球所有生物都需要氮,例如:它们需要氮构造蛋白质,使生物体能够正常生长。虽然大气中78%是氮,但是动物和大多数植物都无法获得。美国加利福尼亚州大学戴维斯分校植物生物学家艾伦·本奈特(Alan Bennett)说:“这是因为我们空气中的氮是由两个紧密结合在一起氮原子构成,这需要大量的能量才能进行分解。”

在农作物中,只有大豆、黄豆和苜蓿等豆科植物才能吸收氮,而且它们只有在微生物的帮助下才能实现。本奈特说:“微生物利用一种酶,将大气中的氮转化为可用形式,例如:氨(氮分子与3个氢分子结合)或者硝酸盐(氮分子与3个氮分子结合)。

依据美国明尼苏达大学农作物生态学家福特·丹尼逊(R. Ford Denison)的观点,小麦、水稻和玉米等大多数农作物都无法将大气中的氮转化为可用营养物质。

为什么会存在氮污染呢?

因为农作物无法将空气中的氮转化为他们可以使用的形式,农民必须以肥料的形式为他们提供固体氮。20世纪初,德国科学家弗里茨·哈博(Fritz Haber)研制了一种叫做“哈博尔-博世(Haber-Bosch)”的技术,能够将大气中的氮转化为氨,这是合成肥料的基础,全球近一半的农民都在使用合成肥料。如果没有生产合成肥料的能力,我们就无法提供满足全球居民生活的食物。

然而,存在的问题是农民很难准确评估需要多少肥料,从而导致肥料使用过度和浪费,马里兰大学环境科学家中心环境科学家家张新(音译)称,化肥中有57%的氮最终会污染地球环境。

肥料中固体氮流入将干扰地球正常的自然氮循环,通常情况下,这些氮物质再循环再次进入土壤之中。例如:植物中的氮是一种可用营养形式,所以当植物叶子脱落、种子成熟或者死亡时,氮物质将再次返回土壤中,为其它植物提供营养。动物也会通过尿液和粪便的方式将可用氮返回土壤,丹尼逊说:“关键问题在于没有人能够将固体氮运送到很远的地方。”

当农作物运输至全球各地,氮物质并不会充分循环,从而迫使农民通过施放肥料对农作物补充氮物质。

这有什么大不了的?

2009年出版的《自然:世界主要环境问题》杂志中一篇分析文章指出,研究人员发现氮污染已经超过了可能导毁灭性影响的临界点。依据科学分析,地球还存在另外两个问题,那就是气候变化和生物多样性减少。

例如:在美国,化肥中过量的氮最终流入河流和水道,汇入墨西哥湾。藻类以氮作为食物,随着藻类大量繁殖,氮物质数量也逐渐增多。然而,一旦海洋藻类死亡,将使分解藻类的微生吞噬海水中所有氧气,形成所谓的“海洋死区”,能够杀死海洋生命。美国国家海洋和大气管理局(NOAA)评估称,墨西哥湾的“海洋死区”面积相当于美国新泽西州大小。

同时,硝酸盐也将以毒性物质流入水域,一些氮可以释放到空气中,形成一氮化二氮(2个氮分子和1个氮分子结合),从而消耗臭氧层,产生导致全球气候转暖的温室气体。

化肥制造本身也是一个能源密集型过程,可以制造出温室气体。加利福尼亚州大学伯克利分校农业经济学家戴维·齐尔伯曼(David Zilberman)称,化肥价格昂贵,在全球范围内会造成高达数十亿美元的浪费。

联合国预测称,到2050年,全球总人口将接近100亿,对于食物和氮的需求只会加剧。

这种黏糊糊的玉米能够拯救我们吗?

8月7日《美国公共科学图书馆·生物学》杂志发表一篇最新研究报告称,墨西哥瓦哈卡州塞拉米谢地区生长玉米上的黏液喂养一种特殊微生物,它们可以将空气中的氮气固定下来。尽管科学家发现这种玉米具有吸收氮的独特作用,并对该现象感到兴奋不已,但是它可能不会立即解决任何问题。本奈特说:“当然这种玉米在种植区产量很高,但是并不直接适用于传统的玉米生产方式。首先,玉米成熟需要8个月,比传统玉米3个月的成熟期要长。”

研究人员测量报告显示,这种玉米固氮含量较低,与农民对施加氮肥相比,所吸收的氮量微不足道。但是这种玉米具有重要意义,研究它可能会帮助研究人员设计或者培育“固氮玉米”,这种改良农作物要么依靠自身,要么获取微生物的帮助,它将造福人类,可在减少施肥的情况下保证产量。但是丹尼逊表示,该技术实现的挑战性很大。

为了固定氮,微生物需要大量的能量,这就需要氧气。但是氧气会分解微生物用于固定氮的酶。豆科植物解决这个问题的方法是将微生物放置在植物根部,植物可以在根部控制微生物的氧气吸收量。但是使玉米具有这种能力存在很大的挑战。丹尼逊说:“估计在我有生之年,是不会看到这项技术的实现。”

本奈特对此非常乐观,生物技术公司、农业公司、初创公司,甚至盖茨基金会都投入了大量资源开发固氮农作物。他指出,我对此非常有信心,所有这些方法将在未来5-10年内以某种方式融合趋同,我们可能会看到传统玉米作物的氮元素固定水平显著提升。

如果这样的技术真的实现,而且对其他农作物也有效,这种收益将是巨大的。齐尔伯曼说:“对于那些无力支付化肥费用的贫穷农民,例如:非洲南部农民,通过该技术可以显著提高农作物产量。在最乐观的情况下,全面采用植物固氮技术可在全球范围内节省170-700亿美元费用。”

他还指出,这是一项革命性技术,它将有助于农民,有利于消费者和环境。与此同时,农民只能在必要的时间和地点采取措施提供肥料,作为“精准农业”的一部分,传感器和无人机等新型技术正在帮助农民提高产量。
本文来源:网易科技频道