A Fizikai Intézet Optikai és Kvantumelektronikai Tanszékének és az ELKH-SZTE Fotoakusztikus Környezetifolyamat-megfigyelési Kutatócsoportjának „Műtrágyázásból eredő nitrogénveszteség mértékének vizsgálata; a környezeti nitrogénterhelés becslése szántóföldi kultúráknál fizikai mérésekkel” című projektje is támogatást nyert a Fenntartható Fejlődés és Technológiák Nemzeti Program, Fenntartható Technológiák Alprogram keretében. A projektet Prof. Dr. Bozóki Zoltán vezeti, a megvalósítása 2022. december 1. és 2026. november 30. között zajlik.

A projekt tudományos hátteréről, céljairól, az eredmények gyakorlati alkalmazhatóságáról és a kutatás további irányairól Dr. Horváth Lászlóval beszélgettünk.

Milyen tényezők indokolták a kutatási téma választását?

A környezetszennyezés és a különböző szennyező anyagok kibocsátásának problémája ismert. Az egyik legveszélyesebb környezetszennyező az ammónia – a nitrogén egyik vegyülete. Ez a gáz sokféle káros környezeti hatással rendelkezik. Például csökkenti a biodiverzitást, káros az emberi egészségre, a talajok állapotára, elősegíti az eutrofizációt, stb.… A probléma ott kezdődik, hogy évente 200 millió tonna inert nitrogént szintetizálnak ammóniává, amiből azután műtrágyát gyártanak, melynek legalább a fele veszteségként, szennyezésként a környezetbe kerül, a talajvízbe, az állóvizekbe, a levegőbe, mindenféle földi közegbe. A másik fele is, ami műtrágyaként hasznosul, előbb-utóbb a környezetbe jut, részt vesz a nitrogén ciklusban. Annak érdekében, hogy ezt a folyamatot mérsékeljük, illetve megállítsuk, a felhasználási technikákon kellene javítani, illetve tudni kell, hogy a különböző művelési technikák mellett mennyi műtrágya szabadul fel a légkörbe és mennyi tűnik el az egyéb közegekben. E problémával elég sok laboratórium foglalkozik világszerte. Ennek oka, hogy nagyon összetett a kérdés, mert rengeteg féle művelési technika van, rengeteg féle műtrágya van, meg rengeteg féle mérési módszer, melyek sokszor akár egymásnak ellentmondanak. Ezen a téren tehát lehet még mit kutatni. A téma aktualitása, illetve az Optikai és Kvantumelektronikai Tanszéken folyó, főként a fotoakusztikus módszeren alapuló környezetfizikai kutatások eredményessége miatt választottuk e témát programunknak, mely során nemcsak a műtrágya problémával, hanem általában a fotoakusztikus módszerek környezetanalitikai alkalmazásával fogunk foglalkozni a Fotoakusztikus Kutatócsoport közreműködésével, bár jelenleg a műtrágya van a fókuszban.

A nitrogén sorsa a bioszférában az ammóniaszintézistől a környezetterhelésig (Forrás: Horváth L., 2021: Nitrogén és kén: anyagcsere a légkör és a bioszféra között. In: Mészáros E. (szerk.) Légkőr-bioszféra kölcsönhatások. Akadémiai Kiadó, Budapest. MeRSZ elektronikus könyvtár)

Milyen módszerekkel és eszközökkel fogják végezni a méréseket?

A módszer a fotoakusztikán alapul. Megpróbáljuk fotoakusztikus módszerekkel olyan koncentráció tartományban mérni az ammóniát, ami már jellemző a környezeti viszonyokra. Jelen pillanatban ott tartunk, hogy ennek a módszernek a kimutatási határa olyan magas, hogy nem tudjuk a viszonylag alacsony légköri koncentrációkat mérni. Ez irányban folynak fejlesztések, és már jó úton haladnak. Ha már kifejlesztettük a módszert, kivisszük terepre, és elkezdjük mérni a talaj-növényzet-légkör rendszer közti ammónia fluxust, azaz az ammónia áramot, tehát tulajdonképpen azt, hogy mennyi ammónia áramlik a légkörből a felszín felé vagy fordított esetben mennyi jön onnan ki. Az ammónia kicserélődése a talaj és a növényzet között kétirányú. Ha a talaj és a növényzet által fenntartott kompenzációs-pont koncentráció, nagyobb, mint a légköri koncentráció, akkor kibocsátásról van szó, ellenkező esetben pedig ülepedésről. Ehhez még kell egy olyan műszer, egy ultrahang szélmérő, ami a fotoakusztikus rendszerrel össze van kapcsolva, így a fluxust mérni tudja. A méréseket az úgynevezett eddy kovariancia módszerrel végezzük. Ennek a lényege az, hogy mérjük a függőleges szélsebességet, és mérjük a fel, vagy leszálló légrétegekben fennálló koncentrációt. Ha például emisszió történik a felfelé menő légáramban több az ammónia, mint a lefelé menő légáramban. Összefüggésbe hozzuk a felfelé és a lefelé menő légáram sebességének és az ammónia koncentrációjának pillanatnyi változását. A függőleges légáram sebességének és a koncentráció pillanatnyi változásának a szorzat-átlaga adja meg a fluxust, azazaz az áramot.

Hogyan tudják a gyakorlatban alkalmazni a kifejlesztett mérőműszert?

A méréseket műtrágyázott szántóföldi területen fogjuk elvégezni. A műtrágyázás különböző időszakokban is történhet a növény vetési idejétől függően. Csupasz talaj felett is mérünk, illetve vegetációval borított felszín felett is. A lényeg az, hogy a műtrágyázás előtt és után mért értékből meg tudjuk állapítani, mennyi szabadul fel a légkörbe az alkalmazott műtrágyákból. Ennek a gyakorlati haszna pedig ott valósul meg, hogy egyrészt tudjuk, hogy mennyi szabadul fel, másrészt tudjuk, hogy milyen technikával alkalmazták a műtrágyát. Ebből arra a következtetésre juthatunk, hogy milyen összefüggés van az alkalmazott műtrágya fajta, az alkalmazási technika továbbá az egyéb művelési technikák és az ammónia veszteség között.

Milyen távlati terveik vannak a kutatási témát illetően?

Itt még nem állunk meg, mert további műszerfejlesztésekkel laboratóriumban is vizsgálhatjuk ezt a témát. Például tenyészedény, ill. inkubációs kísérletek során vizsgáljuk, honnan jön ki a káros anyag, a növények légzőnyílásain keresztül, vagy a tápoldatból, talajból, a műtrágya adagolása után. Ez is egy lényeges kérdés, hogy talaj bocsátja-e ki inkább az ammóniát vagy a növény, mert mindkettő jelentős forrás lehet. Továbbfejlesztve a fotoakusztikus módszert, áttérhetünk más nitrogén vegyületekre, mint például a dinitrogén-oxidra, az N₂O-ra, ami az egyik üvegház gáz, és szintén talajeredetű. Az N₂O nagy része az ammóniából származik. Miután az ammónia, pontosabban az ammónium bekerül a talajba, a nitrifikáció során oxidálódik melynek egyik köztes terméke az N₂O felszabadul a talajból, nemcsak az üvegház hatása miatt jelentős, hanem eljut akár sztratoszférába is, ahol bontja az ózont. Ezeket a folyamatokat is próbáljuk majd nyomon követni stabil izotópos nyomjelzéses módszerrel, ami olyan segédeszköz, mellyel meg tudjuk állapítani a különböző szennyezőanyagok forrását és annak erősségét.