מאת: ד"ר ענת גלבוע-רון

המקור: "ירוק כחול לבן" 25, אפריל-מאי 1999, עמ' 57-54.

בצורתו הגזית (N₂), החנקן הינו חומר יציב ביותר, אשר כמעט ואינו מגיב עם חומרים אחרים, ולכן אינו זמין לצמחים ולבעלי-החיים לצורך גדילה. אבל אנחנו זקוקים לחנקן ותלויים בו: החלבונים שמהווים מרכיב חיוני בתאי כל היצורים החיים, בנויים משרשרות של חומצות אמינו, בהן החנקן הוא מרכיב חיוני. חומצות הגרעין DNA ו-RNA (המולקולות האוגרות ומעבירות מידע תורשתי), מכילות אף הן חנקן.

אנחנו, בעלי-החיים, מקבלים את החנקן לבניית חומרים חיוניים אלה רק מהמזון שאנו אוכלים. כמות מינימלית של חלבון, מהחי או מהצומח, חיונית לתזונה נאותה. מזון דל בחלבון עשוי להשביע, אבל הוא בפירוש הזנה לקויה, בעיה ממנה סובלים עדיין בני-אדם רבים באזורים מוכי עוני ורעב.

בניגוד לבעלי-החיים, הצמחים יכולים לקלוט דרך השורשים תרכובות חנקן מינרליות כמו מלחי אמוניה, או בעיקר, תחמוצות חנקן מומסות במים שבקרקע, ולהפוך אותן בתאיהם לתרכובות חנקן אורגניות: חלבונים, DNA, RNA ועוד. בעלי-חיים תלויים בצמחים לצורך השגת חנקן זמין לתזונתם, ואינם מסוגלים לנצל חנקן מינרלי. כך, רק באמצעות הצמחים, נכנס החנקן למארג המזון. מכאן שגידול אוכלוסיות בעלי-החיים השונות, תלוי לחלוטין בכמות החנקן הנקלטת על-ידי צמחי המאכל, ואילו הצמחים תלויים בכמות החנקן הזמין שבקרקע.

כאן שורש הבעיה: למרות שכיחותו הגדולה של החנקן באטמוספרה כגז (כ-80% מהגזים באטמוספירה), כמותו הזמינה בקרקע מוגבלת ונמוכה. בניגוד ליסודות חיוניים אחרים, דוגמת פחמן, מימן וחמצן, שמתניידים בקלות ממאגריהם הטבעיים העצומים, דרך המזון והמים שאנו צורכים, אל רקמות גופנו - החנקן נשאר ברובו לכוד באטמוספרה, ורק חלק זעיר ממנו זמין לצמחים ומהם לבעלי-החיים.

כאמור, קצב הגידול של המין האנושי תלוי בכמות החנקן הזמינה לצמחים בקרקע. במאה העשרים גדלה אוכלוסיית כדור הארץ כמעט פי ארבעה. גורמים רבים עודדו גידול מדהים זה, אבל אין כל ספק שהמשך הגידול, בדור האחרון, התאפשר תודות לתגלית מתחילת המאה - המצאת הסינטזה של אמוניה, על-ידי הכימאי היהודי-גרמני פריץ הבר (ראה מסגרת). המצאה זו איפשרה מאוחר יותר לייצר מהאמוניה דשנים חנקניים, שהם מלחים הבנויים מחנקות (אשלגן ניטרט KNO₂). כך הוסרה מגבלה כמותית לגידול אינטנסיבי של צמחי מזון ללא דילדול הקרקע, וכתוצאה מכך - לגידול אוכלוסיית האדם.

החקלאות שיבשה את מאזן החנקן בטבע. עד מהרה למד החקלאי, כי כמות מלחי החנקן בקרקע מהווה גורם מגביל, המשפיע על היקף היבול. כבר בימי קדם הכירו החקלאים בצורך להעשיר את הקרקע בחומרים מסוימים, על-מנת להגדיל יבולים. הם נוכחו לדעת ששטח בו גידלו צמח מסידרת הקטניות (תלתן, אפונה, שעועית, עדשים ועוד), נעשה פורה יותר בעונה הבאה והניב יבולים עשירים יותר של דגנים - כמו חיטה ושעורה. הם גם גילו את הסגולות של הפרשות בעלי-החיים, וכך נולד הדישון או הזיבול.

כיום אנחנו יודעים ששתי פעולות אלו, העשירו את הקרקע (בדרכים שונות) בתרכובות חנקן אורגני, שהתפרקו וסיפקו תרכובות חנקן זמינות לצומח. ואכן, החקלאות המסורתית לא דילדלה את הקרקע כמו החקלאות האינטנסיבית של ימינו: לא שנים רצופות של גידול אחד שסוחט מן הקרקע את כל הטוב שיש לה להציע, כי אם גידול במחזור זרעים: דגניים צורכי תרכובות חנקן לסירוגין, עם קטניות המעשירות את הקרקע בתרכובות חנקן. לעתים אף גידלו קטניות, רק לשם הדישון. במקום לקצור את היבול, הוא הוטמן, באמצעות חרישה, בתוך הקרקע. קוראים לזה "זבל ירוק".

לפי חישובים מדעיים, השילוב של הפרשות בעלי-חיים לדישון עם "זבל ירוק", יכול תיאורטית לספק כמות של עד כ-200 ק"ג תרכובות חנקן לעשרה דונם קרקע. כמות זו תניב יבול מירבי של 200-250 ק"ג חלבון צמחי לדונם. יבול זה, אם כך, קובע את הגבול התיאורטי לצפיפות האוכלוסייה, התלויה במזון המופק מן הקרקע. לפי החישוב, עשרה דונם של קרקע פוריה, ניתנת לעיבוד, בתנאים של לחות מספקת באקלים ממוזג, המאפשר גידול רצוף במשך כל השנה, עשויים לספק את צורכיהם התזונתיים של 15 בני-אדם.

למעשה, צפיפות האוכלוסין בארצות בהן התקיימה חקלאות מסורתית-אורגנית הייתה נמוכה בהרבה, ועמדה על חמישה-שישה בני-אדם לעשרה דונם קרקע פוריה. לגבול זה מספר סיבות, בהן: גורמים סביבתיים (בעיקר פגעי מזג אוויר והתפרצויות מזיקים) וכן הצורך בגידול צמחים שלא משמשים אך ורק למזון, אלא גם לרפואה, להפקת סיבים (כותנה) ועוד. מערכת חקלאית זו התקיימה בשיווי משקל, אשר בו החנקן הזמין משמש גורם מגביל.

פריצת הדרך הגדולה נעשתה בעשור הראשון של המאה, בגרמניה. שני כימאים, קארל בוש ופריץ הבר, הצליחו לקשר באופן כימי בין חנקן גזי (N₂) ומימן גזי (H₂) ליצירת אמוניה (NH₃). התהליך התאפשר כאשר תערובת הגזים בתוספת הזרזים אוסמיום ואורניום, הוכנסה ללחץ של 200 אטמוספרות ולחום של 500 מעלות צלזיוס.

האמוניה הינה תרכובת חנקן, ממנה ניתן לבנות את תרכובות החנקן הדרושות לצמיחה (מעבר לפחמן, מים, זרחן, אשלגן ומתכות קורט נוספות, הזמינים לצמח הרבה יותר מאשר תרכובות החנקן).


בארצות שבהן, עקב צפיפות אוכלוסין ומחסור בקרקע, קיים צורך קיומי להפיק את המירב מכל פיסת קרקע הניתנת לעיבוד, צריכת הדשן החנקני ממשיכה לעלות. הערכות זהירות מראות שכ-175 מיליון טון חנקן בצורת דשן, מוצנעים בקרקעות חקלאיות ברחבי העולם. בעזרת דשן סינטטי זה מיוצרים כשליש מכלל החלבונים המשמשים מזון לאדם.

האדם צורך מזון זה ישירות מהצומח או בעקיפין, באמצעות אכילת בשרם של אוכלי עשב הניזונים מיבולים מדושני חנקן. מקורות החלבון האחרים במזונו של האדם, נבנים מתרכובות החנקן הקיימות בקרקע החקלאית באופן טבעי, מאוכלי עשב הניזונים ממרעה טבעי, או מדגה שמקורה בימות ובאוקיינוסים. בשנות ה-50' הגיעה הצריכה העולמית השנתית ל-10 מיליון טון דשן חנקני. בסוף שנות ה-80' הייצור הגיע ל-80 מיליון טון. העלייה התלולה והשימוש המואץ בדשן חנקני, היו בתחילה נחלת המדינות העשירות בלבד, אבל ב-1988 כבר יישרו איתן קו הארצות המתפתחות. כיום, הארצות המתפתחות הן הצרכניות המובילות (יותר מ-60%) של הדשנים החנקניים המיוצרים בעולם.

לתוספת המסיבית של חנקן בצורתו הפעילה לקרקעות ולמים, השפעות סביבתיות שליליות רבות. הבעיות מתבטאות בבריאות האוכלוסייה המתגוררת באזורי דישון-יתר. אך לעודפי החנקות גם השפעות גלובליות, המשתרעות ממעמקי הקרקע ומי התהום עד לרום האטמוספרה.

קיבוע טבעי של חנקן, שנעשה בעיקר על-ידי ברקים וחיידקים, אחראי לכניסה של בין 90 ל-140 מיליון טון חנקן בשנה. קיבוע חנקן מעשה ידי אדם, מכפיל כמות זו פי שניים ויותר. תוספת משמעותית זו, שנעשתה בפרק-זמן קצר יחסית (בעיקר משנות ה-40 ואילך), משפיעה על כל מחזור החנקן הגלובלי ודרכו על כל האקוסיסטמה הגלובלית.

גם שריפת דלק מחצבי (נפט ונגזרותיו: בנזין, סולר ועוד) גורמת לקיבוע חנקן אטמוספרי, על-ידי יצירת תחמוצות חנקן. מבחינה זו, מנועי הדיזל הם המובילים: הטמפרטורה הגבוהה בה מתבצעת השריפה הפנימית במנועים אלה, גורמת להיווצרות תחמוצות חנקן יותר מאשר במנוע בנזין.

רוב מיני הצמחים על פני כדור הארץ נוצרו, במהלך האבולוציה, בתנאי רמות נמוכות של חנקן זמין בקרקע ובמים. מכיוון שכך, אלה הרמות אליהן הם מותאמים ובהן הם מתפקדים בצורה המיטבית. מעבר לכך, שיווי המשקל באוכלוסיות השונות גם הוא נקבע, בין השאר, על-ידי כמות תרכובות החנקן באדמה או במים. ההתערבות הבוטה של האדם, שהביאה לשינוי כמות התרכובות החנקניות באטמוספרה ובקרקע גם יחד, מהווה פגיעה במערכות אקולוגיות בקנה-מידה גדול.


להלן רשימת בעיות הנובעות מתוספת תרכובות החנקן השונות:

1. חנקן חד-חמצני (N₂O), שמקורו מדשנים שמתפרקים בקרקע, ממים שהועשרו בתרכובות בחנקן, משריפת יערות, עשב ועוד, הינו גז חממה רב-השפעה: בהגיעו לטרופוספרה (שכבת האטמוספרה הקרובה לכדור הארץ) הוא מאפשר לקרינת השמש להגיע אל כדור הארץ, אבל חוסם את הקרינה המוחזרת כחום, ובכך תורם להתחממות כדור הארץ.מבחינה כמותית, גז החממה העיקרי הוא פחמן דו-חמצני. אך כל מולקולה של חנקן חד-חמצני עוצרת פי 200 יותר אנרגיה מוחזרת מכדור הארץ, מאשר מולקולת פחמן דו-חמצני. תוחלת החיים הארוכה של N₂O (מולקולה זו מסוגלת להתקיים באטמוספרה למעלה ממאה שנה) מחריפה עוד יותר את הבעיה. כאשר אותו גז מגיע לסטרטוספרה - השכבה שמעל הטרופוספרה, בה מצוי האוזון המגן עלינו מקרינת על-סגול מסוכנת ("האוזון הטוב") - יש לו אפקט הרסני נוסף: הוא תורם להרס האוזון.
2. תחמוצת חנקנית אחרת, NO, ממלאת תפקיד ראשי ביצירת הערפיח, בתהליך בו שותפים אור השמש, NO ומזהמים נוספים. בנוסף לכך, בתהליך פוטוכימי זה נוצר אוזון ("האוזון הרע"), גז רעיל גם לבעלי-חיים וגם לצמחים. NO נוצר כתוצאה מפעולת חיידקים על חנקות (ניטרטים) בקרקע, שבחלקן הגדול נמצאות שם בעודפים גדולים, כתוצאה מדישון חנקני. שריפת דלק מחצבי וחומרים אורגניים אחרים, תורמות אף הן חלק נכבד ביצירת גז זה. להערכת מומחים, כ-80% מכלל ה-NO שבאטמוספרה, מקורו בפעילות האדם.התוצר הסופי של תהליך חימצון תחמוצות החנקן הוא NO₂, היוצר במים חומצה חנקתית HNO₃, התורמת ליצירת גשם חומצי. גשם חומצי גרם וגורם נזק חמור ליערות בקנדה, ארצות-הברית ואירופה, וכן למקווי מים מתוקים, למבנים ולפסלים, ולהחמצת קרקעות.
3. עומס יתר של תרכובות חנקן גורם לנזק ולהפרת האיזון במערכות אקולוגיות רגישות, עד כדי פגיעה במיני צמחים, כולל עצים. עלייה בתרכובות חנקן באטמוספרה גורמת לכך, שיותר תרכובות חנקן חוזרות מהאוויר לקרקע, לימים ולאוקיינוסים. עודפי תרכובות חנקן בקרקע נשטפים על-ידי גשמים והשקיה, ומגיעים למי תהום, לנחלים ולנהרות.
4. עודף תרכובות חנקן במקווי מים (שלוליות, אגמים, ימות, שפכי נהרות או מפרצי ים), גורם גם לדישון יתר, ובעקבות זאת לגידול יתר של צמחים ואצות ("פריחת אצות"). תופעה זו נקראת "אוטריפיקציה" והיא אולי האיום הגדול ביותר על יציבות המערכות האקולוגיות הימיות. גם בכנרת החלו תהליכי אוטריפיקציה בשנות ה-80, שהשפיעו לרעה על איכות המים. שכבת האצות העילית צורכת הרבה חמצן, עד כדי גרימת מחסור בחמצן בשכבות מעט יותר עמוקות של המים, ופגיעה קטלנית במיני בעלי-חיים וצמחים שרגישים לריכוז החמצן.
5. גם תהליכי הריקבון המוגברים צורכים חמצן, ועלולים למוטט את כל המערכת האקולוגית.
6. לפריחת האצות השפעות שליליות נוספות: ישנן אצות מסוימות שפולטות חומרים רעילים, הקוטלים דגים.
7. מעבר לכך, פריחת האצות במקווי מים מגינה גם על חיידקים פאתוגניים (גורמי מחלות). בשנת 1991 מתו לאורך חופי פרו 5000 בני-אדם במגיפת כולרה, וחצי מיליון חלו. חיידק הכולרה יושב על מיני אצות מסוימים ופריחתן, כתוצאה מהזרמת חנקן, גרמה להתפרצות המגיפה, שהתפשטה גם למדינות השכנות.
8. ולבסוף, בעיה חמורה שקיימת כבר בישראל: רמות גבוהות של חנקות במי שתייה הן רעילות לבני-אדם, ובעיקר לתינוקות, עד כדי סיכון חיים. כמה וכמה בארות בארץ, רובן באזור השפלה, כבר נסגרו בגלל עלייה מסוכנת בריכוז החנקות במים הנשאבים.

וכך, התוספת המסיבית של חנקן זמין (בעל פעילות ביולוגית) לקרקעות, למים ולאוויר, גורמת להשפעות הרסניות, הנעות בחומרתן ובהיקפן מבעיות בריאות מקומיות ועד בעיות גלובליות. שלוש הבעיות הגלובליות הן: אפקט החממה, הרס האוזון הסטרטוספרי והידלדלות המיגוון הביולוגי. בשנים הראשונות שלאחר המצאת הדשנים החנקניים, איש לא חזה השפעות כאלה על הסביבה. אפילו היום, כשהבעיות כבר מוכרות, זוכה הנושא לתשומת-לב מעטה מדי, בהשוואה למשל, לפליטות דו-תחמוצת הפחמן לאטמוספרה. החדרת כמויות גדולות של חנקן פעיל, למערכת כמו גם החדרת כמויות גדולות של CO₂, מהוות גורם מאיים על הביוספרה.

תגלית האמוניה והנקודה היהודית

בתחילת המאה פיתח פריץ הבר, כימאי באוניברסיטה הטכנית בעיר קרלסרוהה, גרמניה, שיטה תעשייתית לקישור בין חנקן למימן, ליצירת אמוניה (NH₃). התהליך התאפשר על-ידי הכנסת תערובת הגזים ללחץ של 200 אטמוספרות ובטמפרטורה של 500°C, בנוכחות זרזים מוצקים של אוסמיום ואורניום.

ב-1913 הוקם המפעל המסחרי הראשון לייצור אמוניה בגרמניה. תפוקת המפעל הוכפלה במהירות ל-60 אלף טון בשנה, בעיקר כדי לספק את צרכי הצבא הגרמני במלחמת העולם הראשונה.

בסוף שנות ה-40' עמד ייצור האמוניה העולמי על 5 מיליון טון. בעשור הבא עלה השימוש בדשנים כימיים לעשרה מיליון טון. שיפורים טכנולוגיים שהקטינו את כמות החשמל הנצרך בתהליך ביותר מ-90%, הביאו לקפיצת מדרגה. הייצור עלה פי שמונה עד סוף שנות ה-80 וסיפק את העלייה בצריכת דשן חנקני, תחילה בארצות המפותחות ובהמשך גם במתפתחות.

למרות זכייתו בפרס נובל לכימיה בשנת 1918, על תרומתו לתגלית סינטזת האמוניה, היו חייו של פריץ הבר טראגיים למדי. הוא נולד בשנת 1868, בעיירה ברסלב, ולמד בהיידלברג ובברלין. ב-1894 קיבל מישרת כימאי בקרלסרוהה, והתמסר לסינטוז האמוניה ולתהליכי דחיסה ופיצוח נפט גולמי למרכיביו.

ב-1911 מונה לעמוד בראש מכון קייזר ווילהלם לכימיה פיזיקלית, שם פיתח, ככימאי הראשי של משרד המלחמה הגרמני, את השימוש בגז כלור כנשק כימי. הבר השתיק את מצפונו הזועק בכך, שקיווה כי נשק זה יבטיח ניצחון מהיר לגרמנים, ויקצר את סבלות המלחמה. אך אשתו, שלא יכלה לשאת את המחשבה על תרומתו האיומה לזוועות המלחמה, שלחה יד בנפשה ב-1915, ערב השימוש הראשון שנעשה בגז נגד חיילי בנות הברית.

בתום המלחמה הוכרז הבר "פושע מלחמה". ההחלטה להעניק לו פרס נובל על ייצור האמוניה, גררה מחאות רבות. למרות תסכולו, המשיך בעבודת מחקר בגרמניה בראש אותו מכון וזקף לזכותו עוד תגליות והישגים.

פריץ הבר היה יהודי. תרומתו לצבא הגרמני נשכחה כשהיטלר עלה לשלטון. ב-1933 הוא נאלץ להתפטר, אך הוזמן לעבוד באוניברסיטת קיימברידג', אנגליה. הוא נפטר בשנת 1934, בבאזל.

כיום קשה להעריך את גודל תרומתו לאנושות. הפיתוח התעשייתי של האמוניה, חולל נפלאות בחקלאות, אך היווה גם איום גלובלי כבד.

השיטות הישנות והטובות

זה לא יהיה פשוט להחזיר את הגלגל אחורנית. הריבוי הטבעי ותהליכי העיור והתיעוש, מבטיחים שתהליכי הקיבוע התעשייתי של חנקן יימשכו עוד שנים רבות ובקצב עולה. האנושות נעשתה תלויה בתהליך קיבוע החנקן, אותו המציא פריץ הבר.

מה יכול להקטין את התלות שלנו בתהליך?
כאשר יצליחו, בתהליכי הנדסה גנטית, לייצר מיני דגניים ומיני חיידקי ריזוביום (חיידקים מקבעי חנקן), המסוגלים לחיות איתם בסימביוזה (כמו עם הקטניות), יפחת הצורך בתוספת דשן חנקני לשדות החיטה העצומים. בינתיים, ההצלחה נראית רחוקה.

לו ניתן היה לעצור את ריבוי האוכלוסין וכן לעבור לדיאטה צמחית יותר, ולצרוך פחות חלבון מן החי, אפשר היה לצמצם את צריכת החנקן. יש לזכור שעל-מנת ליצור ק"ג חלבון מהחי (בשר בקר) יש להאביס את הבקר בשלושה-ארבעה ק"ג חלבון צמחי. אך לצערנו גם שתי התפתחויות אלה אינן נראות באופק. מה שנראה יותר ריאלי, זה לאמץ שיטות דישון מתוחכמות וחסכניות יותר, על-ידי מתן דשן חנקני רק לפי הצורך ועל סמך בדיקות הקרקע.

הטוב ביותר היה חזרה, עד כמה שניתן, לשיטות הישנות והטובות. החקלאות המסורתית של פעם תחזור ותהיה החקלאות האורגנית של היום, ותקבל משמעות חדשה: לא רק ירקות, פירות ומוצרי משק אחרים, נקיים מחומרי הדברה ותוספות הורמונליות למיניהן, אלא גם שמירה על איזון ויציבות המערכת האקולוגית המקומית והעולמית. יישום שיטות כמו מחזור זרעים, גידול קטניות, שימור קרקע (יותר חנקן נשמר בקרקע ופחות נשטף לנחלים ולמקווים), מיחזור פסולת אורגנית לצורך דישון - כל אלה יפחיתו את הצורך בדשן חנקני. מעבר לאנרגיה חליפית במקום שריפת דלק מחצבי, צימצום מספר כלי-הרכב הנעים בכבישים על-ידי השקעה בתחבורה ציבורית תוך חקיקה מתאימה, יצמצמו גם הם את הפליטות לאוויר של גזי חממה, מזהמי אוויר ותחמוצות חנקן. עם זאת, אם כל איכרי העולם יעברו לחקלאות אורגנית, יתברר מהר מאוד שאין די מזון כדי להאכיל שישה מיליארד בני-אדם. להוציא התפתחויות מפתיעות שיתרחשו בתחום ההנדסה הגנטית, רוב החלבון הנחוץ להזנת עוד שני מיליארד בני-אדם הצפויים להתווסף לאוכלוסי העולם במהלך שני הדורות הבאים, יבוא מאותו תהליך - קיבוע חנקן מן האוויר בשיטת פריץ-הבר, וחימצונו לתחמוצות חנקן ליצור דשן חנקני, תהליך שהאנושות פיתחה בו תלות עמוקה.

הכימיה של תרכובות החנקן ומילון מונחים

חנקן גזי - N₂ (N-N): יציב ביותר ולכן לא פעיל, מהווה 80% מהאטמוספרה.

תחמוצות חנקן - N₂O; NO; NO₂ - (NO_x): תרכובות ביחסים שונים עם חמצן. נוצרות בטבע על-ידי חיידקי קרקע מיוחדים או בתהליכי שריפה בטמפרטורות גבוהות, כמו בכבשני תחנות-כוח או במנועי מכוניות (כמובן שתהליך זה מלאכותי).

חומצות חנקיות - HNO₃; HNO₂: בנוכחות מים התחמוצות הופכות לחומצות.

אמוניה - NH₃ NH₄OH: תרכובת חנקן עם מימן בנוכחות מים, הופכת לבסיס האמוניום או למלחי אמוניום.

חנקן אורגני: אטומי חנקן נשזרים בתוך מולקולות אורגניות המצויות בתאיהם של בעלי-חיים וצמחים: חלבונים, חומצות גרעיניות ועוד. כל היצורים החיים זקוקים לתרכובות המכילות חנקן. רק הצמחים יודעים להשתמש במלחי חנקן כמקור לחנקן האורגני. לכן, כל בעלי-החיים תלויים באופן ישיר או עקיף בצמחים, כמקור לחנקן אורגני לבניית גופם.

החנקן המולקולרי היציב לא משמש מקור לחנקן אורגני לצמחים או לבעלי-חיים.

קיבוע חנקן: תהליך של יצירת אמוניה מחנקן גזי אינרטי. התהליך מתקיים: 1. באוויר בעקבות ברקים. 2. בקרקע על-ידי חיידקים קושרי חנקן. רוב מיני חיידקים אלה חיים בסימביוזה עם שורשי קטניות, אך ישנם החיים חופשי בקרקע. 3. בהתערבות אנושית (בשיטת פריץ הבר), ובתהליכי שריפת דלק.