Menselijke productie van vaste stikstof, voornamelijk gebruikt om gewassen te bemesten, is nu goed voor ongeveer de helft van de totale hoeveelheid vaste stikstof die aan de aarde wordt toegevoegd, zowel op het land als in de oceanen, volgens een nieuwe studie door onderzoekers van de North Carolina State University en Duke University.

De menselijke productie van deze stikstof is nu vijf keer hoger dan 60 jaar geleden. Deze toename kan een even groot gevaar vormen voor het milieu van de aarde als de snelle toename van klimaatverwarmende koolstofdioxide in de atmosfeer, zeggen de wetenschappers.

"De aarde heeft nog nooit zoveel vaste stikstof gezien, " zegt William H. Schlesinger, James B. Duke Emeritus hoogleraar biogeochemie aan Duke's Nicholas School of the Environment.

"Het is een enorme toename in de afgelopen halve eeuw, dat is niet wat we verwachtten te vinden, " zegt William Battye, een luchtkwaliteitsonderzoeker bij NC State die de studie leidde

"Terwijl koolstof de aandacht van de wereld heeft getrokken door klimaatverandering, we kunnen dit probleem niet negeren, " voegt Viney Aneja toe, hoogleraar marine, aard- en atmosferische wetenschap bij NC State. "Te veel stikstof kan de menselijke gezondheid aantasten, de biodiversiteit verminderen en de opwarming van de aarde versterken."

Te veel stikstof in de bodem komt een beperkt aantal soorten ten goede die inheemse soorten kunnen verdringen, het verminderen van de biodiversiteit, Aneja merkt op. Hoge niveaus van stikstof in het grondwater worden in verband gebracht met darmkanker en miskramen, en kan dodelijk zijn voor zuigelingen. Overtollige stikstofverbindingen in waterwegen en meren kunnen giftige algenbloei veroorzaken, het doden van in het water levende soorten en het bedreigen van de menselijke gezondheid.

Een vorm van stikstofgas, lachgas, is ook een krachtig broeikasgas en kan bijdragen aan de opwarming van de aarde. Hoge niveaus van lachgas in de atmosfeer tasten ook de atmosferische ozonlaag aan, en stikstofmonoxide kan gevaarlijke ozon op leefniveau creëren.

Mensen gebruiken al duizenden jaren stikstofverbindingen als meststof, maar historisch alleen natuurlijke vaste bronnen gebruikt, zoals mest en guano. In de vroege jaren 1900, Duitse chemici Fritz Haber en Carl Bosch ontdekten een proces dat atmosferische stikstof omzet in ammoniak, waardoor mensen voor het eerst op industriële schaal op stikstof gebaseerde meststoffen kunnen produceren.

tegen 1960, meer dan 60 procent van de boerderijen in de Verenigde Staten meldde het gebruik van kunstmest en het gemiddelde stikstofgebruik was 17 pond per hectare.

In 2007, Amerikaanse boerderijen gebruikten gemiddeld 82,5 pond stikstof per hectare, volgens het Amerikaanse Environmental Protection Agency.

Om hun nieuwe studie uit te voeren, de onderzoekers combineerden historische gegevens over het gebruik van kunstmest in de landbouw met recente schattingen van stikstoffixatie om trends in de menselijke productie van vaste stikstof sinds het begin van de 20e eeuw te analyseren. Vervolgens plaatsten ze deze trends in context met recente schattingen van natuurlijke stikstofbinding en denitrificatie op land en in water.

Uit hun analyse bleek dat de menselijke productie van reactieve stikstof in de afgelopen halve eeuw bijna vervijfvoudigd is.

"Deze snelle toename heeft elke onzekerheid weggenomen over het belang van door de mens geproduceerde stikstof op de algehele stikstofcyclus, "zegt Schlesinger..

Schlesinger, Battye en Aneja vragen zich af of het huidige denitrificatieproces van de aarde de menselijke productie van vaste stikstof kan blijven bijhouden. Momenteel, de bacteriën die dit denitrificatieproces aansturen lijken gelijke tred te houden met de verhoogde vaste stikstof. Maar als de habitats waar deze bacteriën gedijen, zoals moerassen en moerassen, zijn niet geconserveerd, en het denitrificatieproces wordt afgebroken, een grote onbalans in de stikstofcyclus kan optreden.

Dit kan leiden tot schadelijke algenbloei en dode zones in waterlichamen, hogere kosten voor drinkwaterbehandeling, en een verhoogd risico voor de volksgezondheid door algentoxines in waterwegen.

Zelfs als het denitrificatieproces de toenemende vraag kan bijhouden, er kunnen nog steeds negatieve atmosferische gevolgen zijn van het teveel aan stikstof. Bij denitrificatie ontstaat lachgas, een krachtig broeikasgas dat de derde grootste bijdrage levert aan de opwarming van de aarde, na koolstofdioxide en methaan. Lachgas heeft een broeikaspotentieel dat bijna 300 keer groter is dan dat van koolstofdioxide pond voor pond en kan meer dan 100 jaar in de atmosfeer blijven bestaan, volgens de EPA. Lachgas kan ook de stratosferische ozonlaag aantasten, zegt Aneja.

Stikstofoxide, een ander bijproduct van denitrificatie, kan reageren met vluchtige organische stoffen om ozon op leefniveau te produceren, wat schadelijk is voor mens en vegetatie.

Door de mens veroorzaakte klimaatverandering, als gevolg van te veel koolstofdioxide in de atmosfeer, zou ook de hoeveelheid stikstof in de Amerikaanse waterwegen kunnen vergroten. Klimaatverandering kan in sommige gebieden meer regen veroorzaken, wat zou kunnen resulteren in meer landbouwafval dat lokale waterwegen kan verontreinigen, volgens een recente studie in het tijdschrift Wetenschap .