Atmosferska depozicija azota u vodene ekosisteme: nevidljivi put eutrofikacije

Sagorevanje fosilnih goriva emituje azotne okside (NOx), koji mogu predstavljati značajan izvor nutrijentnog zagađenja vodenih ekosistema putem procesa atmosferske depozicije (World Resources Institute, n.d.). Osim direktne emisije iz sagorevanja, poljoprivredna proizvodnja doprinosi atmosferskom azotu kroz isparavanje amonijaka (NH3) iz đubriva i stajnjaka, dok sam proces sagorevanja fosilnih goriva takođe doprinosi emisiji azot-suboksida (N2O) (Malone & Newton, 2020).

Atmosferska depozicija azota odvija se kroz dva osnovna mehanizma: mokru depoziciju, gde se azotna jedinjenja rastvaraju u atmosferskoj vlazi i talože putem kiše, snega ili magle, i suvu depoziciju, gde se gasovita i čestična azotna jedinjenja direktno talože na površine bez posredstva padavina (Malone i sar., 2020, u kontekstu globalizacije obalne eutrofikacije). Relativni doprinos ova dva mehanizma varira u zavisnosti od klimatskih uslova, blizine izvora emisije i tipa vodenog tela.

Kvantifikacija doprinosa atmosferske depozicije eutrofikaciji

Obim doprinosa atmosferske depozicije ukupnom nutrijentnom opterećenju vodenih ekosistema pokazuje značajnu prostornu varijabilnost. Globalna analiza pokazuje da atmosferska depozicija azota (ADN), i u vidu mokre i suve depozicije, doprinosi između deset i pedeset procenata ukupnog spoljašnjeg unosa azota u sadašnjem trenutku, sa apsolutnim vrednostima između dvadeset i sto milimola azota po kvadratnom metru godišnje, i ovaj doprinos se projektuje da će se povećavati (Malone & Newton, 2020, citirajući raniju sintezu literature). Ovakvi nivoi unosa dovode do značajnog povećanja fiksacije ugljen-dioksida i produkcije hlorofila a, što su direktni pokazatelji povećane primarne produktivnosti, odnosno eutrofikacije (Malone & Newton, 2020).

Relativni značaj atmosferske depozicije u odnosu na rečni unos nutrijenata takođe pokazuje veliku geografsku varijabilnost. Atmosferski deponovan azot približava se ili čak premašuje rečni unos u mnogim obalnim ekosistemima, poput Bohai mora, jednog od najeutrofičnijih obalnih voda u Kini (Troost i sar., 2013). Nasuprot tome, u ekosistemima sa dominantnim rečnim unosom, poput severnog Meksičkog zaliva, direktna atmosferska depozicija u obalni okean čini svega oko pet procenata ukupnog unosa, dok u vodama sa relativno niskim rečnim unosom, poput Baltičkog mora, zapadnog Mediterana, srednjeg Atlantika i severoistočne atlantske obale SAD i Kanade, ovaj udeo dostiže trideset procenata ili više (Paerl i sar., 2002; Spokes & Jickells, 2005, prema Malone & Newton, 2020).

Ova varijabilnost ima direktnu praktičnu implikaciju: politike kontrole eutrofikacije koje se fokusiraju isključivo na tačkaste izvore zagađenja (otpadne vode) ili čak difuzno poljoprivredno zagađenje putem oticaja, mogu ostaviti neadresiran značajan deo ukupnog nutrijentnog opterećenja u vodenim telima gde je relativni udeo atmosferske depozicije visok, a to su tipično sistemi sa manjim direktnim rečnim slivom u odnosu na površinu vodenog tela ili sa niskim intenzitetom poljoprivredne aktivnosti unutar samog sliva, ali izloženi regionalnom, prekograničnom prenosu zagađenja vazduha iz udaljenih industrijskih ili urbanih izvora.

Biogeohemijski i trofički efekti

Prekomerno opterećenje azotom u vodenim ekosistemima može uzrokovati strukturne promene kroz čitav morski ekosistem, i eutrofikacija se obično deli na tri opisne kategorije: uzročne faktore (unos nutrijenata, povišene koncentracije i disbalans u odnosima nutrijenata), direktne efekte (uticaj na primarne producente poput fitoplanktona i potopljene vodene vegetacije) i indirektne efekte, koji su posledica direktnih efekata i poznati su kao sekundarni efekti (prema poglavlju o nutrijentima i eutrofikaciji u zborniku Springer Nature).

Istraživanja povezanosti atmosferske depozicije azota, vodene eutrofikacije i ekosistemskih usluga ukazuju na to da povišen unos azota u vodene ekosisteme doprinosi povećanoj algalnoj produktivnosti i pomeranjima u strukturi populacija fitoplanktona, uključujući dijatomeje, širom Sjedinjenih Država (Saros i sar., 2003; U.S. EPA, 2008, prema Rhodes i sar., 2017). Koncept „kritičnog opterećenja” definisan je kao kvantitativna procena izloženosti jednom ili više zagađivača ispod koje se ne očekuju značajni štetni efekti na specifične osetljive elemente životne sredine (Rhodes i sar., 2017), pri čemu ovaj koncept služi kao alat procene, za razliku od pravno obavezujućih ukupnih dnevnih maksimalnih opterećenja (TMDL) koja imaju regulatornu težinu.

Istorijska analiza globalizacije kulturne eutrofikacije obalnog okeana pokazuje da se atmosferska depozicija azota u globalni okean brzo povećala tokom dvadesetog veka, sa preindustrijske stope od približno 22 milijarde kilograma azota godišnje na više od 45 milijardi kilograma godišnje (Malone & Newton, 2020). Od ove količine, procenjuje se da atmosferska depozicija direktno u obalni okean iznosi oko osam milijardi kilograma azota godišnje, odnosno približno četrnaest procenata ukupnog antropogenog unosa u obalni okean (Seitzinger i sar., 2010; Ngatia i sar., 2019, prema Malone & Newton, 2020).

Sekundarni efekti: povezanost sa drugim ekološkim problemima

Nutrijentno zagađenje i eutrofikacija snažno su povezani sa drugim globalnim ekološkim problemima poput klimatskih promena, zagađenja vazduha i kiselih kiša (World Resources Institute, n.d.). Sagorevanje fosilnih goriva, koje emituje azotne okside kao značajan izvor nutrijentnog zagađenja vodenih ekosistema, istovremeno doprinosi i drugim štetnim efektima poput formiranja prizemnog ozona, kiselinske depozicije i smanjene vidljivosti usled fotohemijskog smoga (Paerl, 1993). Ova povezanost implicira da politike usmerene na smanjenje emisije azotnih oksida iz sagorevanja fosilnih goriva, motivisane, na primer, ciljevima poboljšanja kvaliteta vazduha ili ublažavanja klimatskih promena, nose i indirektnu, ali značajnu korist za smanjenje eutrofikacije vodenih ekosistema, čak i kada te politike nisu primarno dizajnirane sa tim ciljem.

Preporuka koja proizlazi iz ove povezanosti jeste da bi kreatori politika trebalo da iskoriste veze između eutrofikacije i drugih lokalnih, regionalnih i globalnih ekoloških problema, i identifikuju one politike koje minimiziraju kompromise, a maksimiziraju korist za životnu sredinu na više frontova istovremeno (World Resources Institute, n.d.), pristup koji bi, u praktičnom smislu, značio da regulativa kvaliteta vazduha i regulativa kvaliteta vode ne bi trebalo da se razvijaju u potpuno odvojenim institucionalnim silosima, budući da su njihovi uzroci i efekti biogeohemijski isprepletani.

Relevantnost za region i ograničenja procene

Za region jugoistočne Evrope, uključujući Srbiju, kvantifikacija specifičnog doprinosa atmosferske depozicije azota eutrofikaciji unutrašnjih vodotoka i kanalske mreže ostaje oblast koja zahteva dalji istraživački rad, budući da su najdetaljnije kvantifikovane studije o ovom fenomenu prevashodno fokusirane na velike obalne morske ekosisteme poput Baltičkog mora, Bohai mora ili Meksičkog zaliva, gde su dugoročne monitoring mreže atmosferske depozicije uspostavljene ranije i gušće nego u kopnenim, kontinentalnim delovima Balkana.

Ipak, opšti princip, da sagorevanje fosilnih goriva i poljoprivredna emisija amonijaka predstavljaju izvore azota koji dospevaju u vodene sisteme i putem koji zaobilazi direktni rečni ili kanalizacioni unos, ostaje primenjiv i relevantan za razumevanje ukupnog nutrijentnog budžeta vodenih tela u industrijalizovanim i intenzivno poljoprivrednim regionima poput Vojvodine, gde su i termoelektrane i intenzivna stočarska proizvodnja prisutni izvori atmosferskog azota čiji potencijalni doprinos eutrofikaciji obližnjih kanala i reka zaslužuje sistematskiju kvantifikaciju u budućim istraživanjima.

Uloga poljoprivrednog amonijaka kao specifičnog izvora

Za razliku od azotnih oksida koji prevashodno potiču iz sagorevanja fosilnih goriva u saobraćaju, energetici i industriji, amonijak kao drugi značajan prekursor atmosferske depozicije azota ima drugačiji, prevashodno poljoprivredni profil izvora, isparavanje iz primenjenih mineralnih đubriva, stajnjaka i intenzivne stočarske proizvodnje. Ova razlika u poreklu ima praktičnu implikaciju za regionalni kontekst poput Vojvodine, gde je intenzivna ratarska i stočarska proizvodnja dominantan oblik korišćenja zemljišta. Region može istovremeno biti i izvor i primalac atmosferski deponovanog azota, sa lokalno emitovanim amonijakom koji se delom taloži unutar istog regiona, a delom prenosi na veće udaljenosti u zavisnosti od meteoroloških uslova.

Ova dvostruka uloga regiona kao izvora i primaoca komplikuje jednostavne narative o „spoljašnjem” zagađenju koje dolazi iz udaljenih industrijskih centara. Deo atmosferskog azotnog opterećenja vojvođanskih vodenih tela može poticati upravo od lokalne poljoprivredne aktivnosti u neposrednoj blizini, što ima direktne implikacije za dizajn mera kontrole, koje bi u ovom slučaju morale uključiti i lokalne poljoprivredne prakse upravljanja đubrivima i stajnjakom, a ne isključivo daleke industrijske ili energetske izvore emisije.

Sezonski obrasci depozicije i poljoprivredni kalendar

Emisija amonijaka iz poljoprivrednih izvora nije ravnomerno raspoređena tokom godine, već pokazuje izraženu sezonsku dinamiku usklađenu sa poljoprivrednim kalendarom, periodima primene mineralnih đubriva i stajnjaka, koji se obično koncentrišu u proleće i, u manjoj meri, ranu jesen. Ovaj sezonski obrazac emisije znači da i atmosferska depozicija azota poreklom iz poljoprivrede pokazuje sličnu sezonsku koncentraciju, potencijalno se poklapajući sa periodima kada su vodeni ekosistemi već izloženi povećanom direktnom oticaju nutrijenata sa istih, upravo đubrenih polja.

Ovo vremensko poklapanje, istovremeni vrhunac direktnog oticaja i atmosferske depozicije iz istog, poljoprivrednog izvora, može stvoriti kumulativni efekat koji je teže razdvojiti na komponente nego u sistemima gde su različiti putevi unosa nutrijenata vremenski razdvojeni. Za buduće istraživanje nutrijentnog opterećenja vojvođanskih kanala i vodotoka, praćenje sezonske dinamike atmosferske depozicije azota, uporedo sa praćenjem direktnog poljoprivrednog oticaja, moglo bi pomoći u razdvajanju relativnog doprinosa ova dva, biogeohemijski povezana ali fizički odvojena puta unosa nutrijenata.

Kritična opterećenja specifična za tip ekosistema

Koncept kritičnog opterećenja azotom, pomenut ranije kao alat procene rizika, nije univerzalna vrednost primenjiva na sve tipove vodenih ekosistema podjednako. Osetljivost na dodatni unos azota varira značajno u zavisnosti od postojećeg nutrijentnog statusa vodenog tela, tipa dominantnih primarnih producenata i hidroloških karakteristika poput vremena zadržavanja vode. Plitka, sporo protočna vodena tela poput kanala i manjih jezera u Vojvodini, sa dužim vremenom zadržavanja vode koje omogućava akumulaciju unetih nutrijenata pre nego što budu isprani nizvodno, tipično pokazuju veću osetljivost na dodatno nutrijentno opterećenje, uključujući ono poreklom iz atmosferske depozicije, u poređenju sa brzo protočnim rekama gde se uneti nutrijenti brže transportuju nizvodno pre nego što mogu podstaći značajan algalni rast na datoj lokaciji.

Ova diferencijalna osetljivost sugeriše da bi procena rizika od atmosferske depozicije azota za vojvođansku kanalsku mrežu, koja karakteriše upravo sporiji hidrološki režim pogodan za akumulaciju nutrijenata, trebalo da bude prioritet u odnosu na brže protočne segmente reka, gde je verovatnoća da atmosferska depozicija samostalno izazove merljivu eutrofikaciju niža usled brzog hidrološkog „ispiranja” unetih nutrijenata.

Integrisano praćenje vazduha i vode kao budući pravac

Institucionalno razdvajanje monitoringa kvaliteta vazduha i monitoringa kvaliteta vode, uobičajeno u većini nacionalnih sistema uključujući srpski, otežava sistematsko povezivanje podataka o emisiji i depoziciji azotnih jedinjenja sa podacima o nutrijentnom statusu obližnjih vodenih tela. Prevazilaženje ove institucionalne podele zahtevalo bi ili formalne mehanizme razmene podataka između nadležnih institucija za vazduh i vodu, ili uspostavljanje zajedničkih istraživačkih projekata koji bi eksplicitno kombinovali obe vrste monitoringa na istim geografskim lokacijama.

Za region intenzivne industrijske i poljoprivredne aktivnosti poput Vojvodine, gde su i termoelektrane i velika stočarska postrojenja prisutni izvori atmosferskog azota, a istovremeno postoji gusta mreža kanala i manjih vodenih tela osetljivih na eutrofikaciju, ovakvo integrisano praćenje moglo bi otkriti biogeohemijske veze koje trenutno ostaju neistražene usled fragmentisanog institucionalnog pristupa monitoringu životne sredine.

Zaključak

Atmosferska depozicija azota predstavlja često zanemaren, ali biogeohemijski dobro utemeljen put unosa nutrijenata u vodene ekosisteme, čiji relativni značaj u odnosu na direktne, rečne izvore zagađenja varira u zavisnosti od karakteristika konkretnog vodenog tela i njegovog sliva. Prepoznavanje ove veze ima praktičnu vrednost izvan akademske sfere: ono ukazuje na to da politike kvaliteta vazduha i politike kvaliteta vode dele zajedničke uzroke i da bi integrisaniji pristup regulaciji emisija azota, koji istovremeno uzima u obzir efekte na vazduh i vodu, mogao doneti veću ukupnu korist za životnu sredinu nego što bi to postigli izolovani, sektorski pristupi.