Život kakav poznajemo temelji se na ugljiku. Ali svaki organizam zahtijeva i druge elemente, uključujući dušik i fosfor. Dušik je osnova svih proteina, od enzima do mišića i nukleinskih kiselina koje kodiraju naše gene. Fosfor je neophodan za stvaranje DNA, staničnih membrana te za formiranje kostiju i zuba kod ljudi.
Premalo bilo koje hranjive tvari ograničit će produktivnost organizama, a time i cijelih ekosustava. U kratkim vremenskim razdobljima dušik često prvi nestane. Ali ta oskudica nikad ne traje dugo, geološki gledano: atmosfera — koja se sastoji od oko 80 posto dušika — predstavlja gotovo beskonačan rezervoar. Rano tijekom evolucije, određeni su mikrobi razvili načine za pretvaranje atmosferskog dušika u biološki dostupne spojeve.
Fosfora, međutim, nema u atmosferi; on se ne može proizvesti ili uništiti i ne postoji njegova zamjena ili sintetička verzija. Jedna od dugotrajnih misterija o podrijetlu života zapravo je kako su najraniji organizmi došli do dovoljno fosfora za sastavljanje svojih primitivnih staničnih strojeva. Neki znanstvenici misle da su se razvili u okruženjima s nenormalno visokim koncentracijama fosfora, poput zatvorenih kontinentskih jezera. Drugi su sugerirali da je bioraspoloživi fosfor došao na Zemlju u kometima ili meteoritima – nebeski dar koji je pomogao pokrenuti život.
U tijeku je rasprava o tome ponestaje li nam fosfora ili ne. Približavamo li se isteku globalnih zaliha fosfora?
Politički i ekonomski problemi
Većina fosfora koji se koristi u gnojivima dolazi iz fosfatne stijene, ograničenog resursa formiranog tijekom milijuna godina u Zemljinoj kori. Devedeset posto svjetskih zaliha fosfatnih stijena koristi se u poljoprivredi i proizvodnji hrane, uglavnom kao gnojivo, manje kao stočna hrana i dodaci hrani. Kada stručnjaci raspravljaju o potrošnji zaliha fosfora, ono o čemu obično raspravljaju je koliko će dugo izdržati rezerve fosfatnih stijena, tj. resursi koji se mogu ekonomično ekstrahirati.
Devedeset posto rezervi fosfatnog kamena nalazi se u samo pet zemalja: Maroko, Kina, Južnoafrička Republika, Jordan i Sjedinjene Države. SAD, koji ima 25 godina preostalih rezervi fosfatnog kamena, uvozi znatnu količinu fosfatnog kamena iz Maroka, koji kontrolira do 85 posto preostalih rezervi fosfatnih stijena. Međutim, mnogi marokanski rudnici nalaze se u Zapadnoj Sahari, koju je Maroko okupirao protiv međunarodnog prava. Unatoč rasprostranjenosti fosfora na zemlji, samo mali postotak fosfora može se iskopati zbog fizičkih, ekonomskih, energetskih ili pravnih ograničenja.
Godine 2008. cijene fosfatnog kamena su skočile 800 posto zbog viših cijena nafte, povećane potražnje za gnojivima (zbog veće potrošnje mesa) i biogoriva te kratkoročnog nedostatka dostupnosti fosfatnih stijena. To je dovelo do skoka cijena hrane, što je posebno teško pogodilo zemlje u razvoju.
Sa svjetskom populacijom za koju se predviđa da će dosegnuti 9 milijardi do 2050. i zahtijevati 70 posto više hrane nego što proizvodimo danas, i rastućom globalnom srednjom klasom koja konzumira više mesa i mliječnih proizvoda, fosfor je ključan za globalnu sigurnost hrane. Ipak, ne postoje međunarodne organizacije ili propisi koji upravljaju globalnim resursima fosfora. Budući da globalna potražnja za fosforom raste oko 3 posto svake godine (i može porasti kako globalna srednja klasa raste i konzumira više mesa), naša sposobnost da prehranimo čovječanstvo ovisit će o tome kako upravljamo našim izvorima fosfora.
Ekološki problemi s rudarenjem fosfora
Od 1800-ih, poljoprivrednici su znali da je elementarni fosfor ključno gnojivo. Države su brzo počele iskopavati fosfatne rezerve. Do sredine 20. stoljeća, tvrtke su industrijalizirale kemijske procese kako bi ga pretvorile u oblik prikladan za dohranu usjeva, učvršćavajući ih protiv bolesti i čineći ih sposobnima za prehranu većeg broja ljudi i stoke. Taj je pristup djelovao nevjerojatno dobro: “Zelena revolucija” nakon Drugog svjetskog rata nahranila je nebrojene ljude zahvaljujući gnojivima i pesticidima. Ali ponekad se desi i da dobrih stvari bude previše.
Oslobodili smo Zemljine zalihe fosfora tako brzo da element sada zagađuje slatkovodne ekosustave, gdje višak uzrokuje štetno cvjetanje algi, infiltrira se u snježni pokrivač i smanjuje razine otopljenog kisika u jezerima i rijekama. Studije sugeriraju da je čovječanstvo postalo previše ovisno o fosforu za prehranjivanje planeta – i ponestaje nam ovog neobnovljivog resursa, koji dolazi iz geoloških naslaga za čije su formiranje potrebna tisućljeća. Kada se ispere iz tla u vodene tokove, u biti zauvijek nestaje.
Znanstvenici već više od desetljeća ukazuju na “prekinuti” ciklus fosfora: čovječanstvo je iskopalo ogromne količine elementa koji završi u vodenim putovima umjesto da se vrati na poljoprivredna polja.
Problem se svodi na izmet. Ljudi i stoka jedu usjeve i kao rezultat toga izlučuju fosfor. Ali većina toga neće ponovno završiti u tlu u kojemu rastu biljke. Obrada otpada može pretvoriti mulj ili stajnjak u gnojivo, ali njihov transport i obrada često su nepraktični, tako da vrijednost koja se krije u izmetu i koja je esencijalna za život na Zemlji može stajati u zalihama i na “suhim hrpama” bez prilike za ponovnu potrošnju.
Neiskorištavanje fosfora dostupnog u izmetu nije samo reciklažni problem: kanalizacija, septičke jame, zalihe i erodirano tlo kapaju fosfor u oceane i rijeke, gdje se razrjeđuje do zaborava dok degradira te iste ekosustave. Na primjer, otjecanje fosfora potiče štetno cvjetanje algi koje je uništilo morsku travu na Floridi, izgladnjujući tisuće morskih krava. Tu se odvija proces eutrofikacije, starenja vodenih ekosustava. Taj se proces inače odvija tisućama godina, no uz ljudsko djelovanje nekad je potrebno samo nekoliko godina. U procesu eutrofikacije vodenih sustava intenzivno rastu alge, smanjuje se količina kisika i postupno izumiru životinjske vrste, a vodeni ekosustavi (obično jezera) mijenjaju boju u tamnozelenu i smeđu. U Hrvatskoj primjer eutrofikacije je Trakošćansko jezero.
Umjetna gnojiva donose sa sobom i teške metale
Kontaminant prisutan u fosfatnim gnojivima (osim ako se ne ukloni tehnologijama dekadmije) koji trenutno izaziva najveću zabrinutost je kadmij, iako bi i druge teške metale također trebalo pratiti. Kada se jednom pojavi u tlu, kadmij se ne može lako ukloniti, ali može migrirati i nakupljati se u biljkama. Pojedine biljke (suncokret, repica, duhan i dr.) sklone su nakupljanju većih količina kadmija. Upravo zbog tog svog svojstva suncokreti su sađeni na mjestima nuklearnih katastrofa.
Zagađenje tla i podzemnih voda uranom – uglavnom zbog prirodne pozadinske prisutnosti, ali moguće pogoršano prisutnošću urana u fosfatnim gnojivima – prijavljeno je u područjima s pjeskovitim tlom u Njemačkoj, s posljedicama za preradu pitke vode u nekim slučajevima. Ova kontaminacija mogla bi dovesti do dodatnih mjera opreza i troškova u područjima pitke vode i poljoprivredne proizvodnje.
Drevne tehnike iskorištavanja fosfora
Puno prije nego što je fosfor otkriven, ljudi su izmislili pametne načine upravljanja svojim lokalnim zalihama hrane. Američki i australski starosjedioci su lovištima i područjima za ishranu upravljali vatrom, što je učinkovito oplodilo krajolik biološki dostupnim fosforom u pepelu, među ostalim prednostima. U agrarnim društvima farmeri su naučili koristiti kompost i stajski gnoj za održavanje plodnosti svojih polja. Čak su i domaći golubovi igrali važnu ulogu u biblijska vremena; njihova kakica – koja sadrži hranjive tvari – pomogla je u održavanju voćnjaka i vrtova pustinjskih gradova.
Ali ljudski je otpad možda bio najcjenjenije gnojivo od svih. Iako i mi trebamo fosfor (on čini oko 1 posto naše tjelesne mase), većina fosfora koji pojedemo prolazi kroz nas netaknuta. Ovisno o prehrani, oko dvije trećine završi u urinu, a ostatak u izmetu. Tisućljećima su ljudi skupljali te dragocjene tvari – često u sitne sate, što je dovelo do naziva „noćno tlo“ – i koristili ih za uzgoj hrane.
Kanalizacija astečkog carstva hranila je njegove poznate plutajuće vrtove. Izlučevine su postale toliko vrijedne da su vlasti u 17. stoljeću u Edu u Japanu zabranile zahode koji se prazne u vodene tokove. A u Kini je industrija sakupljanja noćnog tla postala poznata kao “posao zlatnog soka”.
Uskoro se u zapadnom svijetu desio zaokret. Takozvana sanitarna revolucija uslijedila je neposredno nakon industrijske revolucije, krajem 19. stoljeća. U 1700-ima i 1800-ima, Europljani i Amerikanci su se selili u gradove u neviđenom broju, i na taj način uskratili tlu svoj izmet i izmet životinja, kao i cijenjeni i za biljke neophodni element fosfor. Taj je otpad, koji se nije sanitarno zbrinjavao, ubrzo postao urbana pošast, oslobađajući plime zaraznih bolesti poput kolere koje su natjerale čelnike u mjestima poput Londona da osmisle načine za uklanjanje obilne izlučevine svojih stanovnika.
Liebig i drugi viktorijanski mislioci tvrdili su da bi se ova otpadna voda trebala transportirati natrag na selo i prodati poljoprivrednicima kao gnojivo. No uključene količine predstavljale su logističke izazove, a kritičari su izrazili zabrinutost oko sigurnosti kanalizacijskih farmi – kao i njihovog mirisa. Stoga je otpad u konačnici bio poslan u rudimentarne centre za obradu na odlaganje ili, češće, bačen u rijeke, jezera i oceane.
Ovo je stvorilo ono što je Karl Marx opisao kao “metabolički rascjep” – opasan prekid veze između ljudi i tla o kojem ovise – i učinkovito raskinulo ljudski ciklus fosfora, preoblikujući njegovu petlju u jednosmjernu cijev; put bez povratka.
Do 1870. prvi američki rudnici fosfata otvoreni su u blizini Charlestona u Južnoj Karolini i uz obalu, uništavajući polja, šume i močvare kako bi došli do podloge ispod. Trenutak u kojemu je krenula ljudska potraga za drugim izvorima fosfora dovela je do eksploatacije kojoj svjedočimo danas – rješenju koje donosi nove probleme.
Jasan konsenzus među stručnjacima za fosfor je da ljudi moraju početi popravljati ciklus fosfora kako bi smanjili štetu okolišu uzrokovanu onečišćenjem i kako bi manje rasipali sve oskudniji resurs. Pa onda, koje je pravo rješenje?
Rješenje ide ruku pod ruku s promjenom svijesti
Recikliranje ljudskog otpada nudi najizravniji način zatvaranja fosforne petlje. Kanadska tvrtka Ostara instalirala je sustave za izdvajanje fosfora iz otpadnih voda u komunalnim postrojenjima za pročišćavanje u više od 20 gradova diljem svijeta, uključujući Chicago i Atlantu. Švicarska i Njemačka čak su donijele zakone kojima se nalaže oporaba fosfora iz kanalizacije, a koji će stupiti na snagu tijekom sljedećeg desetljeća.
Otpad nakon ljudske potrošnje je neizbježan, ali postoji niz tehnologija koje omogućuju oporabu fosfora iz postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda. Ove su se tehnike značajno razvile tijekom posljednjih godina, s postavljanjem nekoliko pilot projekata i sada komercijalnih operacija u zapadnoj i sjevernoj Europi.
Postoje alternativne tehnike ekstrakcije fosfora. To uključuje uklanjanje fosfornih otpadnih voda u obliku struvita, spaljivanje kanalizacijskog mulja i korištenje pepela te nanošenje kanalizacijskog mulja izravno na polja nakon odgovarajuće obrade. U svim slučajevima, agronomska kvaliteta proizvoda ključna je za osiguranje da je fosfor stvarno dostupan i da ga usjevi mogu iskoristiti.
Potencijal ponovnog hvatanja fosfora iz životinjskog izmeta još je veći. U posljednim godinama došlo je do porasta interesa za preradu stajskog gnoja i za pretvaranje krutog dijela prerađenog stajnjaka bogatog fosforom u proizvod koji se može prodati izvan područja proizvodnje, gdje su polja često zasićena hranjivim tvarima. Iako stajski gnoj počinje s udjelom vode od oko 95%, prerada može smanjiti volumen krute frakcije na oko 30% izvornog stajskog gnoja, ali brojne prepreke izvozu prerađenog stajnjaka kao što su troškovi (transport, energija) – i dalje ostaju. Prihvatljivost od strane primajućih farmi također je još uvijek problem.
Osim toga, svako smanjenje rasipanja hrane u fazama proizvodnje i potrošnje smanjilo bi potrebu za uvođenjem novog fosfora u sustav iz kamenog izvora. Situacija oko bacanja hrane iscrpno je proučena. Svaki stanovnik Europske unije godišnje u prosjeku baci 180 kg hrane.
Osim što bismo trebali stati na kraj bacanju hrane, mogli bismo i bolje iskoristiti otpad od hrane koji nastaje. Trenutačno se velike količine otpada od hrane i biorazgradivog otpada općenito spaljuju, a često se fosfor u pepelu ne koristi ponovno.
Korištenje biorazgradivog otpada u obliku komposta, digestata ili pepela od zelenog ili kuhinjskog otpada recikliralo bi značajne količine fosfora zajedno s drugim hranjivim tvarima.