Zanieczyszczenia rolnicze - Agricultural pollution
| Część serii na |
| Skażenie |
|---|
 |
Zanieczyszczenie rolnicze odnosi się do biotycznych i abiotycznych produktów ubocznych praktyk rolniczych, które powodują skażenie lub degradację środowiska i otaczających ekosystemów i/lub powodują szkody dla ludzi i ich interesów ekonomicznych. Zanieczyszczenia mogą pochodzić z różnych źródeł, od zanieczyszczenia wody ze źródła punktowego (z jednego punktu zrzutu) do bardziej rozproszonych przyczyn na poziomie krajobrazu, znanych również jako zanieczyszczenie źródła niepunktowego i zanieczyszczenie powietrza . Po dostaniu się do środowiska zanieczyszczenia te mogą mieć zarówno bezpośredni wpływ na otaczające ekosystemy, tj. zabijać lokalne dzikie zwierzęta lub zanieczyszczać wodę pitną, jak i dalsze skutki, takie jak martwe strefy spowodowane spływami rolniczymi, koncentrują się w dużych zbiornikach wodnych.
Praktyki zarządzania lub ich nieznajomość odgrywają kluczową rolę w ilości i wpływie tych zanieczyszczeń. Techniki zarządzania obejmują zarówno zarządzanie zwierzętami i chów, jak i rozprzestrzenianie pestycydów i nawozów w globalnych praktykach rolniczych. Złe praktyki zarządzania obejmują źle zarządzane operacje żywienia zwierząt, nadmierny wypas, orkę, nawóz oraz niewłaściwe, nadmierne lub niewłaściwe w czasie stosowanie pestycydów.
Zanieczyszczenia pochodzące z rolnictwa mają duży wpływ na jakość wody i można je znaleźć w jeziorach, rzekach, terenach podmokłych , ujściach rzek i wodach gruntowych . Zanieczyszczenia z rolnictwa obejmują osady, składniki odżywcze, patogeny, pestycydy, metale i sole. Hodowla zwierząt ma ogromny wpływ na zanieczyszczenia, które dostają się do środowiska . Bakterie i patogeny w oborniku mogą przedostać się do strumieni i wód gruntowych, jeśli wypas, przechowywanie obornika w lagunach i stosowanie obornika na polach nie są odpowiednio zarządzane. Zanieczyszczenie powietrza powodowane przez rolnictwo poprzez zmiany użytkowania gruntów i praktyki związane z hodowlą zwierząt mają ogromny wpływ na zmiany klimatyczne , a rozwiązanie tych problemów było główną częścią Specjalnego Raportu IPCC na temat Zmian Klimatu i Gruntów .
Źródła abiotyczne
Pestycydy
Pestycydy i herbicydy są stosowane na gruntach rolnych w celu zwalczania szkodników, które zakłócają produkcję roślinną. Zanieczyszczenie gleby może wystąpić, gdy pestycydy utrzymują się i gromadzą w glebie, co może zmieniać procesy mikrobiologiczne , zwiększać wchłanianie substancji chemicznej przez rośliny i jest toksyczne dla organizmów glebowych . Stopień, w jakim pestycydy i herbicydy utrzymują się, zależy od unikalnej chemii związku, która wpływa na dynamikę sorpcji i wynikający z niej los i transport w środowisku glebowym. Pestycydy mogą również gromadzić się u zwierząt, które jedzą skażone szkodniki i organizmy glebowe. Ponadto pestycydy mogą być bardziej szkodliwe dla pożytecznych owadów, takich jak zapylacze, i naturalnych wrogów szkodników (tj. owadów żerujących na szkodnikach lub pasożytujących na nich) niż dla samych szkodników docelowych.
Ługowanie pestycydów
Wymywanie pestycydów następuje, gdy pestycydy mieszają się z wodą i przemieszczają w glebie, ostatecznie zanieczyszczając wody gruntowe . Wielkość wypłukiwania jest skorelowana z poszczególnymi właściwościami gleby i pestycydów oraz stopniem opadów i nawadniania. Wymywanie jest najbardziej prawdopodobne w przypadku stosowania rozpuszczalnych w wodzie pestycydów, gdy gleba ma zwykle piaszczystą strukturę; jeśli nadmierne podlewanie występuje zaraz po zastosowaniu pestycydu; jeśli zdolność adsorpcji pestycydu do gleby jest niska. Ługowanie może nie tylko pochodzić z poddanych obróbce pól, ale także z obszarów mieszania pestycydów, miejsc mycia maszyn do aplikacji pestycydów lub miejsc składowania.
Nawozy
Nawozy są stosowane w celu zapewnienia uprawom dodatkowych źródeł składników odżywczych, takich jak azot, fosfor i potas, które wspomagają wzrost roślin i zwiększają plony. Chociaż są one korzystne dla wzrostu roślin, mogą również zakłócać naturalne cykle biogeochemiczne składników odżywczych i minerałów oraz stwarzać zagrożenie dla zdrowia ludzi i środowiska.
Azot
Nawozy azotowe dostarczają roślinom formy azotu, które są biologicznie dostępne do pobierania przez rośliny; mianowicie NO 3 − (azotan) i NH 4 + (amon). Zwiększa to plony i produktywność rolnictwa, ale może również negatywnie wpływać na wody gruntowe i powierzchniowe, zanieczyszczać atmosferę i pogarszać stan gleby . Nie wszystkie składniki odżywcze zastosowane w nawozie są pobierane przez rośliny, a reszta gromadzi się w glebie lub jest tracona w postaci spływu . Nawozy azotanowe są znacznie bardziej narażone na utratę profilu glebowego w wyniku spływania ze względu na ich wysoką rozpuszczalność i podobne ładunki między cząsteczką a ujemnie naładowanymi cząstkami gliny. Wysokie dawki nawozów zawierających azot w połączeniu z wysoką rozpuszczalnością azotanów w wodzie prowadzą do zwiększonego spływu do wód powierzchniowych, a także do wód gruntowych, powodując tym samym zanieczyszczenie wód gruntowych . Poziomy azotanów powyżej 10 mg/L (10 ppm) w wodzie gruntowej mogą powodować „ syndrom niebieskiego dziecka ” (nabyta methemoglobinemia) u niemowląt i prawdopodobnie choroby tarczycy i różne rodzaje raka. Wiązanie azotu, które przekształca azot atmosferyczny (N 2 ) w bardziej dostępne biologicznie formy, oraz denitryfikacja, która przekształca biologicznie dostępne związki azotu w N 2 i N 2 O, to dwa z najważniejszych procesów metabolicznych biorących udział w cyklu azotowym, ponieważ są one największe wejścia i wyjścia azotu do ekosystemów. Umożliwiają przepływ azotu między atmosferą, która stanowi około 78% azotu) a biosferą. Inne ważne procesy w cyklu azotowym to nitryfikacja i amonifikacja, które przekształcają odpowiednio amon w azotan lub azotyn i materię organiczną w amoniak. Ponieważ procesy te utrzymują stosunkowo stabilne stężenia azotu w większości ekosystemów, duży napływ azotu ze spływów rolniczych może spowodować poważne zakłócenia. Częstym skutkiem tego w ekosystemach wodnych jest eutrofizacja, która z kolei tworzy warunki niedotlenienia i beztlenowości – oba są śmiertelne i/lub szkodliwe dla wielu gatunków. Nawożenia azotem mogą także uwalniać nh 3 gazów do atmosfery, które mogą być następnie przekształcone w NR x związków. Większa ilość związków NO x w atmosferze może powodować zakwaszenie ekosystemów wodnych i powodować różne problemy z oddychaniem u ludzi. Nawożenie może również uwalniać N 2 O, który jest gazem cieplarnianym i może ułatwiać niszczenie ozonu (O 3 ) w stratosferze. Gleby, które otrzymują nawozy azotowe, mogą również ulec uszkodzeniu. Zwiększenie dostępnego dla roślin azotu zwiększy produkcję pierwotną netto upraw, a ostatecznie aktywność mikrobiologiczna gleby wzrośnie w wyniku większego napływu azotu z nawozów i związków węgla poprzez rozłożoną biomasę. Ze względu na wzrost rozkładu w glebie zawartość materii organicznej ulegnie wyczerpaniu, co spowoduje pogorszenie ogólnego stanu gleby.
Jedną z alternatyw dla standardowych nawozów azotowych są nawozy o zwiększonej wydajności (EEF) . Istnieje kilka rodzajów EEF, ale generalnie należą one do dwóch kategorii: nawozów o powolnym uwalnianiu lub nawozów z inhibitorem nitryfikacji. Nawozy o powolnym uwalnianiu są pokryte polimerem, który opóźnia i spowalnia uwalnianie azotu do systemów rolniczych. Inhibitory nitryfikacji to nawozy pokryte związkiem siarki, który jest bardzo hydrofobowy, co pomaga spowolnić uwalnianie azotu. EEF zapewniają niższy i bardziej równomierny przepływ azotu do gleby i mogą ograniczać wymywanie azotu i ulatnianie się związków NO x , jednak literatura naukowa wskazuje zarówno na skuteczność, jak i nieskuteczność w ograniczaniu zanieczyszczenia azotem.
Fosfor
Najczęściej stosowaną w rolnictwie formą nawozu fosforowego jest fosforan (PO 4 3- ), stosowany w związkach syntetycznych zawierających PO 4 3- lub w formach organicznych, takich jak obornik i kompost. Fosfor jest niezbędnym składnikiem odżywczym we wszystkich organizmach ze względu na rolę, jaką odgrywa w funkcjach komórkowych i metabolicznych, takich jak produkcja kwasu nukleinowego i metaboliczne transfery energii. Jednak większość organizmów, w tym rośliny uprawne, wymaga jedynie niewielkiej ilości fosforu, ponieważ wyewoluowały w ekosystemach o stosunkowo niewielkich jego ilościach. Populacje drobnoustrojów w glebie są w stanie przekształcić organiczne formy fosforu w rozpuszczalne formy dostępne dla roślin, takie jak fosforan. Ten etap jest zwykle omijany w przypadku nawozów nieorganicznych, ponieważ jest stosowany jako fosforan lub inne formy dostępne dla roślin. Wszelki fosfor, który nie jest pobierany przez rośliny, jest adsorbowany na cząstkach gleby, co pomaga mu pozostać na swoim miejscu. Z tego powodu zwykle dostaje się do wód powierzchniowych, gdy cząsteczki gleby, do których jest przyczepiony, ulegają erozji w wyniku opadów atmosferycznych lub spływu wód opadowych. Ilość, która dostaje się do wód powierzchniowych jest stosunkowo niewielka w porównaniu z ilością, która jest stosowana jako nawóz, ale ponieważ w większości środowisk działa jako ograniczający składnik pokarmowy, nawet niewielka ilość może zakłócić naturalne cykle biogeochemiczne fosforu w ekosystemie. Chociaż azot odgrywa rolę w szkodliwych zakwitach glonów i sinic, które powodują eutrofizację, nadmiar fosforu jest uważany za największy czynnik, ponieważ fosfor jest często najbardziej ograniczającym składnikiem odżywczym, zwłaszcza w wodach słodkich. Oprócz zmniejszania poziomu tlenu w wodach powierzchniowych, zakwity glonów i sinic mogą wytwarzać cyjanotoksyny, które są szkodliwe dla zdrowia ludzi i zwierząt, a także wielu organizmów wodnych.
Stężenie kadmu w fosfor Niezawierające nawozu zmienia się znacznie i mogą być problematyczne. Na przykład, nawóz na bazie fosforanu amonu może mieć zawartość kadmu tak niską, jak 0,14 mg/kg lub tak wysoką, jak 50,9 mg/kg. Wynika to z faktu, że fosforyt używany do ich produkcji może zawierać aż 188 mg/kg kadmu (przykładem są złoża na Nauru i Wyspach Bożego Narodzenia). Ciągłe stosowanie nawozu o wysokiej zawartości kadmu może zanieczyścić glebę i rośliny. Limity zawartości kadmu w nawozach fosforowych zostały rozpatrzone przez Komisję Europejską . Producenci nawozów zawierających fosfor wybierają teraz fosforyt na podstawie zawartości kadmu. Skały fosforanowe zawierają wysoki poziom fluoru . W konsekwencji powszechne stosowanie nawozów fosforowych spowodowało wzrost stężenia fluorków w glebie. Stwierdzono, że zanieczyszczenie żywności nawozami nie ma większego znaczenia, ponieważ rośliny gromadzą mało fluoru z gleby; większe obawy budzi możliwość toksycznego działania fluoru na zwierzęta gospodarskie, które spożywają skażoną glebę. Niepokojący może być również wpływ fluoru na mikroorganizmy glebowe.
- Kadm
Stężenie kadmu w fosfor Niezawierające nawozu zmienia się znacznie i mogą być problematyczne. Na przykład, nawóz z fosforanem amonu może mieć zawartość kadmu tak niską, jak 0,14 mg/kg lub tak wysoką, jak 50,9 mg/kg. Wynika to z faktu, że fosforyt używany do ich produkcji może zawierać aż 188 mg/kg kadmu (przykładem są złoża na Nauru i Wyspach Bożego Narodzenia). Ciągłe stosowanie nawozu o wysokiej zawartości kadmu może zanieczyścić glebę i rośliny. Ograniczenia zawartości kadmu w nawozach fosforowych zostały rozważone przez Komisję Europejską . Producenci nawozów zawierających fosfor wybierają teraz fosforyt na podstawie zawartości kadmu.
- Fluorek
Skały fosforanowe zawierają wysoki poziom fluoru . W konsekwencji powszechne stosowanie nawozów fosforowych spowodowało wzrost stężenia fluorków w glebie. Stwierdzono, że zanieczyszczenie żywności nawozami nie ma większego znaczenia, ponieważ rośliny gromadzą mało fluoru z gleby; większe obawy budzi możliwość toksycznego działania fluoru na zwierzęta gospodarskie, które spożywają skażoną glebę. Niepokojący może być również wpływ fluoru na mikroorganizmy glebowe.
- Pierwiastki promieniotwórcze
Zawartość radioaktywności w nawozach jest bardzo zróżnicowana i zależy zarówno od ich stężenia w minerale macierzystym, jak i od procesu produkcji nawozów. Stężenia uranu-238 wahają się od 7 do 100 pCi/g w fosforycie i od 1 do 67 pCi/g w nawozach fosforowych. W przypadku stosowania wysokich rocznych dawek nawozów fosforowych może to skutkować kilkukrotnie wyższymi stężeniami uranu-238 w glebach i wodach drenażowych niż normalnie. Jednak wpływ tych wzrostów na ryzyko dla zdrowia ludzkiego w wyniku skażenia żywności radionuklidami jest bardzo mały (mniej niż 0,05 mSv/rok).
Zanieczyszczenia organiczne
Nawozy i ścieki zawierają wiele składników odżywczych spożywanych przez zwierzęta i ludzi w postaci pożywienia. Praktyka zwracania takich produktów odpadowych na grunty rolne stanowi okazję do recyklingu składników odżywczych gleby. Wyzwanie polega na tym, że obornik i ścieki zawierają nie tylko składniki odżywcze, takie jak węgiel, azot i fosfor, ale mogą również zawierać zanieczyszczenia, w tym farmaceutyki i produkty higieny osobistej (PPCP). Istnieje szeroka gama i ogromna ilość PPCP spożywanych zarówno przez ludzi, jak i zwierzęta, a każdy z nich ma unikalną chemię w środowiskach lądowych i wodnych. W związku z tym nie wszystkie zostały ocenione pod kątem ich wpływu na jakość gleby, wody i powietrza. US Environmental Protection Agency (EPA) badanych osadów ściekowych z oczyszczalni ścieków zakładów w USA, aby ocenić poziom różnych PPCPs obecnej.
Metale
Głównymi wkładami metali ciężkich (np. ołowiu, kadmu, arsenu, rtęci) do systemów rolniczych są nawozy, odpady organiczne, takie jak obornik, oraz przemysłowe odpady produktów ubocznych. Szczególnie nawozy nieorganiczne stanowią ważną drogę przenikania metali ciężkich do gleby. Niektóre techniki rolnicze, takie jak nawadnianie, mogą prowadzić do akumulacji selenu (Se), który występuje naturalnie w glebie, co może skutkować powstaniem zbiorników wodnych zawierających selen w stężeniach toksycznych dla dzikich zwierząt, zwierząt gospodarskich i ludzi. Proces ten znany jest jako „Efekt Kestersona”, nazwany tak na cześć zbiornika Kesterson w Dolinie San Joaquin (Kalifornia, USA), który w 1987 roku został ogłoszony wysypiskiem toksycznych odpadów. Metale ciężkie obecne w środowisku mogą być pobierane przez rośliny , co może stanowić zagrożenie dla zdrowia ludzi w przypadku spożycia dotkniętych roślin. Niektóre metale są niezbędne do wzrostu roślin, jednak ich obfitość może mieć niekorzystny wpływ na zdrowie roślin.
Odpady hutnicze , które często są przetwarzane na nawozy ze względu na wysoki poziom cynku (niezbędny do wzrostu roślin), mogą również zawierać następujące metale toksyczne: ołów , arsen , kadm, chrom i nikiel . Najczęstszymi pierwiastkami toksycznymi w tego typu nawozach są rtęć , ołów i arsen. Te potencjalnie szkodliwe zanieczyszczenia można usunąć podczas produkcji nawozów; jednak znacznie zwiększa to koszt nawozu. Nawozy o wysokiej czystości są szeroko dostępne i prawdopodobnie najlepiej znane jako nawozy o wysokiej rozpuszczalności w wodzie zawierające niebieskie barwniki. Nawozy takie jak te są powszechnie stosowane w gospodarstwach domowych, takie jak Miracle-Gro . Te wysoce rozpuszczalne w wodzie nawozy są stosowane w szkółkarstwie roślin i są dostępne w większych opakowaniach przy znacznie niższych kosztach niż ilości detaliczne. Istnieją również niedrogie, detaliczne granulowane nawozy ogrodowe wykonane ze składników o wysokiej czystości, co ogranicza produkcję.
Zagospodarowanie terenu
Erozja i sedymentacja gleby
Rolnictwo w znacznym stopniu przyczynia się do erozji gleby i odkładania się osadów poprzez intensywne gospodarowanie lub nieefektywne pokrywanie terenu. Szacuje się, że degradacja gruntów rolnych prowadzi do nieodwracalnego spadku żyzności na około 6 mln ha żyznej ziemi każdego roku. Akumulacja osadów (tj. sedymentacja) w wodach spływowych w różny sposób wpływa na jakość wody. Sedymentacja może zmniejszyć zdolność transportową rowów, strumieni, rzek i kanałów żeglugowych. Może również ograniczać ilość światła przenikającego do wody, co wpływa na biotę wodną. Zmętnienie wynikające z sedymentacji może zakłócać nawyki żywieniowe ryb, wpływając na dynamikę populacji. Sedymentacja wpływa również na transport i akumulację zanieczyszczeń, w tym fosforu i różnych pestycydów.
Uprawa i emisje podtlenku azotu
Naturalne procesy biogeochemiczne gleby powodują emisję różnych gazów cieplarnianych, w tym podtlenku azotu. Praktyki zarządzania rolnictwem mogą wpływać na poziomy emisji. Na przykład wykazano, że poziom uprawy ma również wpływ na emisje podtlenku azotu .
Źródła biotyczne
Gazy cieplarniane z odpadów kałowych
Organizacja Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa (FAO) przewidziała, że 18% antropogenicznych gazów cieplarnianych pochodzi bezpośrednio lub pośrednio z hodowli zwierząt na świecie. Raport ten sugerował również, że emisje z hodowli były większe niż w sektorze transportu. Chociaż zwierzęta gospodarskie odgrywają obecnie rolę w wytwarzaniu emisji gazów cieplarnianych , szacunki zostały uznane za nieprawdziwe. Chociaż FAO zastosowało ocenę cyklu życia hodowli zwierząt (tj. wszystkie aspekty, w tym emisje z upraw na paszę, transport do uboju itp.), nie zastosowało tej samej oceny do sektora transportu.
Model PNAS wykazał, że nawet gdyby zwierzęta zostały całkowicie usunięte z rolnictwa i diety Stanów Zjednoczonych, emisje GHG w USA zmniejszyłyby się tylko o 2,6% (lub 28% emisji GHG w rolnictwie). Wynika to z konieczności zastąpienia nawozów zwierzęcych nawozami zwierzęcymi oraz innych produktów ubocznych pochodzenia zwierzęcego, a także dlatego, że zwierzęta gospodarskie wykorzystują obecnie niejadalne produkty uboczne przetwarzania żywności i błonnika. Co więcej, ludzie cierpieliby z powodu większej liczby niedoborów niezbędnych składników odżywczych, chociaż otrzymywaliby większy nadmiar energii, co prawdopodobnie prowadziłoby do większej otyłości.
Biopestycydy
Biopestycydy to pestycydy pochodzące z materiałów naturalnych (zwierząt, roślin, mikroorganizmów, niektórych minerałów). Jako alternatywa dla tradycyjnych pestycydów, biopestycydy mogą zmniejszyć ogólne zanieczyszczenie w rolnictwie, ponieważ są bezpieczne w użyciu, zwykle nie wpływają silnie na pożyteczne bezkręgowce lub kręgowce i mają krótki czas rezydualny. Istnieją jednak pewne obawy, że biopestycydy mogą mieć negatywny wpływ na populacje gatunków niedocelowych.
W Stanach Zjednoczonych biopestycydy są regulowane przez EPA. Ponieważ biopestycydy są mniej szkodliwe i mają mniejszy wpływ na środowisko niż inne pestycydy, agencja nie wymaga tylu danych, aby zarejestrować ich stosowanie. Wiele Biopestycydy są dozwolone w ramach Narodowego Programu Ekologicznego , Amerykański Departament Rolnictwa , standardów ekologicznej produkcji roślinnej.
Wprowadzone gatunki
Gatunki inwazyjne
Rosnąca globalizacja rolnictwa spowodowała przypadkowe przenoszenie szkodników, chwastów i chorób na nowe obszary. Jeśli się zadomowią, stają się gatunkiem inwazyjnym, który może wpływać na populacje gatunków rodzimych i zagrażać produkcji rolnej. Na przykład transport trzmieli hodowanych w Europie i wysyłanych do Stanów Zjednoczonych i/lub Kanady w celu wykorzystania ich jako komercyjnych zapylaczy doprowadził do wprowadzenia pasożyta ze Starego Świata do Nowego Świata. To wprowadzenie może odegrać rolę w ostatnich spadkach liczby rodzimych trzmieli w Ameryce Północnej. Gatunki wprowadzone rolniczo mogą również hybrydyzować z gatunkami rodzimymi, powodując spadek bioróżnorodności genetycznej i zagrażając produkcji rolnej.
Zakłócenie siedliska (ekologia) związane z samymi praktykami rolniczymi może również ułatwić zadomowienie się tych wprowadzonych organizmów. Zanieczyszczone maszyny, zwierzęta gospodarskie i pasza oraz skażone nasiona upraw lub pastwisk również mogą prowadzić do rozprzestrzeniania się chwastów.
Kwarantanna (zob. bezpieczeństwo biologiczne ) to jeden ze sposobów, w jaki zapobieganie rozprzestrzenianiu się gatunków inwazyjnych może być regulowane na poziomie polityki. Kwarantanna to instrument prawny, który ogranicza przemieszczanie porażonego materiału z obszarów, na których występuje gatunek inwazyjny, do obszarów, na których jest on nieobecny. Światowa Organizacja Handlu ma międzynarodowe regulacje dotyczące kwarantanny szkodników i chorób w ramach Porozumienia w sprawie stosowania środków sanitarnych i fitosanitarnych . Poszczególne kraje często mają własne przepisy dotyczące kwarantanny. Na przykład w Stanach Zjednoczonych Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych / Służba Inspekcji Zdrowia Zwierząt i Roślin (USDA/APHIS) zarządza kwarantanną krajową (na terenie Stanów Zjednoczonych) i zagraniczną (przywóz spoza Stanów Zjednoczonych). Te kwarantanny są egzekwowane przez inspektorów na granicach państwowych i w portach wejścia.
Kontrola biologiczna
Stosowanie biologicznych środków do zwalczania szkodników lub wykorzystywanie drapieżników, parazytoidów , pasożytów i patogenów do zwalczania szkodników rolniczych może potencjalnie zmniejszyć zanieczyszczenie rolnicze związane z innymi technikami zwalczania szkodników, takimi jak stosowanie pestycydów. Szeroko dyskutowano jednak o zaletach wprowadzenia nienatywnych środków kontroli biologicznej. Po uwolnieniu wprowadzenie środka biokontroli może być nieodwracalne. Potencjalne problemy ekologiczne mogą obejmować rozprzestrzenianie się z siedlisk rolniczych do środowiska naturalnego oraz zmianę żywicieli lub przystosowanie się do wykorzystywania gatunków rodzimych. Ponadto przewidywanie wyników interakcji w złożonych ekosystemach i potencjalnych skutków ekologicznych przed uwolnieniem może być trudne. Jeden z przykładów programu biokontroli, który doprowadził do szkód ekologicznych, miał miejsce w Ameryce Północnej, gdzie wprowadzono parazytoida motyli do zwalczania ćmy cygańskiej i ćmy brunatnicy. Ten parazytoid jest zdolny do wykorzystywania wielu gatunków żywicieli motyli i prawdopodobnie spowodował zanik i wytępienie kilku rodzimych gatunków ćmy jedwabnikowej.
Międzynarodowe badania potencjalnych czynników biokontroli są wspierane przez agencje takie jak Europejskie Laboratorium Kontroli Biologicznej, Departament Rolnictwa/ Służby Badań Rolniczych Stanów Zjednoczonych (USDA/ARS), Commonwealth Institute of Biological Control oraz International Organization for Biological Control of Noxious Rośliny i zwierzęta. Aby zapobiec zanieczyszczeniom w rolnictwie, przed wprowadzeniem wymagane są kwarantanna i szeroko zakrojone badania nad potencjalną skutecznością organizmu i wpływem na środowisko. Jeśli zostanie to zatwierdzone, podejmowane są próby skolonizowania i rozproszenia środka kontroli biologicznej w odpowiednich warunkach rolniczych. Prowadzone są ciągłe oceny ich skuteczności.
Organizmy modyfikowane genetycznie (GMO)
Zanieczyszczenia genetyczne i skutki ekologiczne
Uprawy GMO mogą jednak skutkować genetycznym zanieczyszczeniem rodzimych gatunków roślin poprzez hybrydyzację. Mogłoby to prowadzić do zwiększonego zachwaszczenia rośliny lub wyginięcia rodzimych gatunków. Ponadto sama roślina transgeniczna może stać się chwastem, jeśli modyfikacja poprawi jej kondycję w danym środowisku.
Istnieją również obawy, że organizmy niedocelowe, takie jak zapylacze i naturalni wrogowie, mogą zostać zatrute przez przypadkowe spożycie roślin produkujących Bt. Niedawne badania sprawdzające wpływ pyłku kukurydzy Bt, który posypuje pobliskie rośliny mleczne na żerowanie larw motyla monarcha, wykazały, że zagrożenie dla populacji monarchy jest niewielkie.
Stosowanie roślin uprawnych GMO zaprojektowanych pod kątem odporności na herbicydy może również pośrednio zwiększyć ilość zanieczyszczeń rolniczych związanych ze stosowaniem herbicydów . Na przykład zwiększone stosowanie herbicydów na polach kukurydzy odpornych na herbicydy w środkowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych zmniejsza ilość larw mlecznych dostępnych dla larw motyla monarcha .
Przepisy dotyczące uwalniania organizmów zmodyfikowanych genetycznie różnią się w zależności od rodzaju organizmu i danego kraju.
GMO jako narzędzie redukcji zanieczyszczeń
Chociaż mogą istnieć pewne obawy dotyczące stosowania produktów GM, może to również stanowić rozwiązanie niektórych istniejących problemów związanych z zanieczyszczeniem hodowli zwierząt. Jednym z głównych źródeł zanieczyszczeń, zwłaszcza znoszenia witamin i minerałów w glebie, jest brak wydajności trawienia u zwierząt. Poprawiając wydajność trawienia, możliwe jest zminimalizowanie zarówno kosztów produkcji zwierzęcej, jak i szkód środowiskowych. Jednym z udanych przykładów tej technologii i jej potencjalnego zastosowania jest Enviropig .
Enviropig jest genetycznie modyfikowana Yorkshire świnia, która wyraża fitazy w jego ślinie. Ziarna, takie jak kukurydza i pszenica, zawierają fosfor, który jest związany w naturalnie niestrawnej formie znanej jako kwas fitynowy. Fosfor , niezbędny składnik odżywczy dla świń, jest następnie dodawany do diety, ponieważ nie może być rozkładany w przewodzie pokarmowym świń. W rezultacie prawie cały fosfor naturalnie występujący w ziarnie jest marnowany w kale i może przyczyniać się do podwyższenia poziomu w glebie. Fitaza to enzym, który jest w stanie rozłożyć niestrawny w inny sposób kwas fitynowy, udostępniając go świni. Zdolność Enviropig do trawienia fosforu z ziaren eliminuje marnotrawstwo tego naturalnego fosforu (redukcja 20-60%), jednocześnie eliminując potrzebę uzupełniania składników pokarmowych w paszy.
Zarządzanie zwierzętami
Gospodarka obornikiem
Jednym z głównych czynników przyczyniających się do zanieczyszczenia powietrza, gleby i wody są odchody zwierzęce. Według raportu USDA z 2005 r. na farmach w Stanach Zjednoczonych produkuje się rocznie ponad 335 milionów ton odpadów „suchej masy” (odpadów po usunięciu wody). Operacje żywienia zwierząt produkują około 100 razy więcej obornika niż ilość ludzkiego osadu ściekowego przetwarzanego w amerykańskich oczyszczalniach ścieków komunalnych każdego roku. Zanieczyszczenia ze źródeł rozproszonych pochodzące z nawozów rolniczych są trudniejsze do śledzenia, monitorowania i kontrolowania. Wysokie stężenia azotanów występują w wodach gruntowych i mogą osiągnąć 50 mg/litr (limit określony w dyrektywie UE). W rowach i ciekach rzek zanieczyszczenie substancjami odżywczymi z nawozów powoduje eutrofizację. Gorzej jest zimą, po orce jesiennej wyzwoliła się fala azotanów; Opady zimowe są silniejsze, zwiększając spływ i wymywanie, a pobieranie roślin jest mniejsze. EPA sugeruje, że jedna farma mleczna z 2500 krów wytwarza tyle odpadów, co miasto liczące około 411 000 mieszkańców. US National Research Council zidentyfikował zapachy jak najbardziej znaczącego problemu emisji zwierzę na poziomie lokalnym. Różne systemy zwierzęce przyjęły kilka procedur gospodarowania odpadami, aby poradzić sobie z dużą ilością odpadów wytwarzanych rocznie.
Zaletami obróbki obornika jest zmniejszenie ilości obornika, który trzeba przetransportować i zaaplikować na uprawy, a także zmniejszenie zagęszczenia gleby. Ograniczeniu ulegają również składniki odżywcze, co oznacza, że do rozrzucania obornika potrzeba mniej ziemi uprawnej. Obróbka obornika może również zmniejszyć ryzyko dla zdrowia ludzkiego i zagrożenia biologicznego bezpieczeństwa poprzez zmniejszenie ilości patogenów obecnych w oborniku. Nierozcieńczony nawóz zwierzęcy lub gnojowica są sto razy bardziej skoncentrowane niż ścieki domowe i mogą przenosić pasożyta jelitowego, Cryptosporidium , który jest trudny do wykrycia, ale może zostać przeniesiony na ludzi. Kiszonka (z sfermentowanej mokrej trawy) jest jeszcze silniejsza niż gnojowica, o niskim pH i bardzo wysokim biologicznym zapotrzebowaniu na tlen. Ciecz kiszonkowa o niskim pH może być silnie korozyjna; może atakować materiały syntetyczne, powodując uszkodzenie sprzętu do przechowywania i prowadząc do przypadkowego rozlania. Wszystkie te zalety można zoptymalizować, stosując odpowiedni system zarządzania obornikiem we właściwym gospodarstwie, w oparciu o dostępne zasoby.
Obróbka obornika
Kompostowanie
Kompostowanie to system zarządzania gnojowicą, który opiera się na gnojowicy z zalegających kojców lub na gnojowicy z separatora gnojowicy. Istnieją dwie metody kompostowania, aktywna i pasywna. Obornik jest ubijany okresowo podczas aktywnego kompostowania, podczas gdy w kompostowaniu pasywnym nie. Stwierdzono, że kompostowanie pasywne powoduje niższe emisje gazów cieplarnianych z powodu niecałkowitego rozkładu i niższych szybkości dyfuzji gazu.
Separacja ciało stałe-ciecz
Obornik można mechanicznie rozdzielić na część stałą i płynną, co ułatwia zarządzanie. Płyny (4-8% suchej masy) można z łatwością stosować w systemach pomp w celu wygodnego rozprowadzania na uprawach, a frakcja stała (15-30% suchej masy) może być używana jako ściółka w boksach, rozprowadzana na uprawach, kompostowana lub eksportowana.
Fermentacja beztlenowa i laguny
Fermentacja beztlenowa to biologiczne oczyszczanie płynnych odpadów zwierzęcych przy użyciu bakterii na obszarze pozbawionym powietrza, co sprzyja rozkładowi organicznych ciał stałych. Ciepła woda służy do podgrzewania odpadów w celu zwiększenia tempa produkcji biogazu . Pozostała ciecz jest bogata w składniki odżywcze i może być wykorzystywana na polach jako nawóz i metan, który można spalać bezpośrednio w piecu biogazowym lub w generatorze silnikowym do produkcji energii elektrycznej i ciepła. Metan jest około 20 razy silniejszym gazem cieplarnianym niż dwutlenek węgla, który, jeśli nie jest odpowiednio kontrolowany, ma znaczący negatywny wpływ na środowisko. Beztlenowe przetwarzanie odpadów to najlepsza metoda kontrolowania zapachu związanego z gospodarką obornikiem.
W lagunach oczyszczania biologicznego do rozkładu ciał stałych stosuje się również fermentację beztlenową, ale w znacznie wolniejszym tempie. Laguny są utrzymywane w temperaturze otoczenia, w przeciwieństwie do ogrzewanych zbiorników fermentacyjnych. Do prawidłowego działania laguny wymagają dużych obszarów lądowych i dużych objętości rozcieńczenia, więc nie działają dobrze w wielu klimatach północnych Stanów Zjednoczonych. Laguny oferują również korzyści w postaci zmniejszonego zapachu, a biogaz jest dostępny do ogrzewania i energii elektrycznej.
Badania wykazały, że emisje gazów cieplarnianych są redukowane za pomocą systemów fermentacji tlenowej. Redukcje i kredyty emisji gazów cieplarnianych mogą pomóc zrekompensować wyższy koszt instalacji czystszych technologii tlenowych i ułatwić producentom przyjęcie technologii przyjaznych dla środowiska w celu zastąpienia obecnych lagun beztlenowych.
Zobacz też
Bibliografia
-
Ten artykuł zawiera materiał z domeny publicznej z dokumentu Congressional Research Service : Jasper Womach. „Raport dla Kongresu: Rolnictwo: Słowniczek terminów, programów i przepisów, wydanie 2005” (PDF) .