יום רביעי, 19 במאי 1999

החומרים הדרושים: בריכות, משאבות וכמה חיידקים – איל כץ

  

איך מטהרים מי ביוב, מה נכנס ומה יוצא ולמה נשפכים לים מיליוני קוב של מים טובים להשקיה. ד"ר יאיר פולקמן,  בעל חברה לתכנון מכוני טיהור, מעביר קורס בסיסי בטיהור. 

מי הביוב הם פקטור מאוד משמעותי במשק המים משתי סיבות. האחת, חובה לטפל בהם משיקולי בריאות ואיכות סביבה. הסיבה השנייה היא שלאחר שטוהרו, המים המושבים הם כמעט תרופת הפלא למשק המים הישראלי, המשווע לכל טיפה שימושית. כפי שעולה מהריאיון עם דני קריצ׳מן, המשאב הזמין הזה אינו מנוצל מספיק, או ליתר דיוק, מנוצל בדיוק ב־50 אחוז. יאיר פולקמן, ד״ר להנדסה סביבתית ואזרחית והמנכ״ל והבעלים של חברת חג״מ, יסביר לנו תיכף שתהליך הטיהור מספק לא רק מים, אלא גם זבל אורגני לחקלאות ואף גז בישול, שניתן לנצל להפקת חשמל.

בריכת טיהור באוסטרליה
Marcos von Sperling, Wikimedia commons


חג״מ, אחת החברות הגדולות מסוגה בישראל, היא חברה לתשתיות סביבתיות העוסקת במים, ביוב וניקוז. עיקר התמחותה הוא בטיפול במי ביוב, או במילים אחרות בתכנון מכוני טיהור. בשוק פועלות כמה חברות כאלו,  וחג״מ, שמשרדיה ממוקמים במתחם שפיים, היא החברה עם המספר הגדול ביותר של מכוני טיהור בארץ. בין השאר תכננה את מכוני הטיהור בהרצליה, צפת, המכון המשותף לכפר סבא והוד השרון, אשקלון, עומר, נהריה, ואת מכון טיהור קולחי השרון ליד תל מונד, המצוי בימים אלה בשלבי בנייה מתקדמים וישרת את יישובי גוש תל מונד. החברה מעורבת גם במכוני הטיהור של רמת השרון ובמכון שיקום באשדוד. החברה מפעילה באופן שוטף את הפרויקט שתכננה.

עשירית אחוז

כדי שנבין במה בעצם מדובר, ואיך אותם מים שעוזבים את ביתנו במצב צבירה לא כל כך טוב יכולים לאחר מכן להשקות גידולים חקלאיים, ואפילו גידולי מאכל, מסביר ד״ר פולקמן את עקרונות הפעולה של מכוני הטי¬הור. או למעוניינים: כך תכין לך במו ידיך מכון טיהור משלך.

״מה שמוזרם אל המכונים אלו שפכים גו¬למיים, כלומר כל הביוב שמגיע מהעיר. זה אומר המים מהשירותים, המקלחות, התעשייה, בתי חולים, וכל מקום אחר שבו צורכים מים. 

70 עד 80 אחוז מהמים שנצרכים מגיעים לבי¬וב, היתר מגיעים לשימושים אחרים, כמו שטי¬פת רצפות, השקיית גינות, שטיפת מכוניות וכדומה. אלו המים באיכות הכי ירודה שיש, והם כוללים חומרים גסים, חול, חומרים אורגנ¬יים, מלחים ומים. המים מהווים 99 אחוז מה¬ביוב, וכל החומרים המזהמים מהווים רק עשי¬רית אחוז. כל מטרתו של מכון הטיהור הוא לט¬פל באותה עשירית אחוז של חומרים מזהמים.

"הטיפול במים אלו מורכב משלושה שלבים. הטיפול המוקדם הוא סינון גושים גדולים, כמו סמרטוטים, חפצים, ניירות, קרשים ועוד. זה נעשה על ידי מסננים מכניים בצורת סורגים. מגרפה מעלה את זה למעלה, מכניסה לדחסן, הדחסן סוחט את המים, ומה שנשאר זו אשפה יבשה שהולכת לאתר אשפה. חלק נוסף של הטיפול המוקדם הוא שיקוע של חול וגרעינים שונים, ששוקעים מהר ואפשר להפריד אותם ולשטוף אותם.

״השלב הבא הוא שיקוע שני של חומרים או¬רגנים. זה נעשה בבריכות גדולות, שבהן עומ¬דים המים זמן ממושך יחסית, כשעתיים לערך, והחומר האורגני שוקע לקרקעית. החומר שש¬קע, הנקרא בוצה, נאסף על ידי מגרפות, וכש¬הוא מוצא החוצה, הוא עובר טיפול נוסף. במים, גם אחרי השיקוע השני, נשאר הרבה חומר אורגני שצריך להרחיק, ואז מגיע השלב השלישי, הנקרא טיפול ביולוגי.

״הטיפול הביולוגי הוא טיפול בנוכחות חמצן, טיפול אירובי, שבו מתפתחים חיידקים. מכניסים אוויר בשיטות שונות (מאווררים או מפוחים), ואז החיידקים הללו מתרבים למושבות שממש ניתן לראות אותן בצורת פתיתים על פני המים. החיידקים אוכלים את החומר האורגני שנותר, ואז המים מועברים שוב לבריכת שיקוע. החלק העליון הופך להיות מים צלולים ולמטה נותרים החיידקים. את החיידקים אוספים ומחזירים שוב לתהליך, ובכר מייעלים אות..

״אחרי בריכות השיקוע השניוני האלו, מי הקולחין צלולים, ברמה שמותרת להשקיה או להזרמה לנחלים. מדובר בינתיים בהשקיה לתעשייה, או למטעים בטפטוף, שבהם המים לא באים במגע ישיר עם הפרי. אם רוצים מים המיועדים להשקיה בלתי מוגבלת, חייבים לעשות טיפול נוסף, שכולל סינון וחיטוי. יש לכך כמה שיטות, כמו כלור, יוניזציה או החדרה לקרקע כפי שנעשה ב'שפדן', מכון הטיהור של גוש דן, שמימיו משמשים להשקיה בנגב. במכון שלנו ברמת השרון יש מערכת סינון וחיטוי כזו״.

אם להשקות, אז למה לא לשתות? 

״גם אם זה היה נכון, לא היה כל כך טעם. המדיניות של נציבות המים היום היא להשתמש בקולחין להשקיה, ולשחרר בכך מים טובים לשתייה ולשימושים ביתיים. אבל גם מבחינה בריאותית, בשלב הזה עדיין יש במים חיידקים בריכוז גבוה, והם מסוכנים לשתייה. בכל מקרה, לא הייתי ממליץ לשתות מי קולחין, גם מהסיבה הפסיכולוגית, אבל גם בגלל כל מיני עקבות של חומרים מסוכנים שנותרים בהם. אבל הסינון והחיטוי בהחלט מאפשרים השקיה בלתי מוגבלת״.

חצי נשפך לים

הלקוחות של חג״מ ושל חברות דומות הן הרשויות המקומיות. אלו מחויבות על פי חוק לטהר את מי הביוב שלהן. בריכות החמצון של פעם, שצרכו שטחים עצומים והפיצו ריחות זוועתיים, למעשה כבר אינן חוקיות: רשות שבתחומה מעל עשרת אלפים תושבים מחויבת בהקמת מכון טיהור. את עלות הטיהור גובות הרשויות מהתושבים באמצעות אגרת הביוב, המשולמת יחד עם חשבון המים. את המים המטוהרים מנסות הרשויות למכור לחקלאות, אבל לא תמיד זה עובד.

ד״ר פולקמן: ״באזור השרון יש בעיה. שטחי החקלאות הולכים ומצטמצמים, שטחי הבנייה גדלים, והפרופורציה בין כמות השפכים לבין היקף החקלאות הולכת וגדלה לכיוון של עודף מים. מכון הטיהור של הרצליה, למשל, מזרים כבר 20 שנה קולחין באיכות טובה לים, בכמות של ארבעה מיליון וחצי קוב מדי שנה. לעומת זאת, רק חצי מיליון קוב מנוצלים על ידי חקלאים, בעיקר בקיבוץ גליל ים״.

מהי בכלל תרומת מי הקולחין למשק המים הישראלי?

״כלל הצריכה האזרחית הוא בערך 30 אחוז ממשק המים. 80 אחוז מהם ניתן למחזר, כלומר כ־25 אחוז ממשק המים הישראלי ניתנים למחזור. בפועל, מכיוון שיש עדיין רשויות שלא נוהגות על פי חוק, רק 60 אחוז מזה אכן ממוחזר, ומזה רק ב־50 אחוז נעשה שימוש חקלאי״. 

איפה זה קורה?

״פרט לשפדן, יש את פרויקט הקישון באזור חיפה, שם יש שימוש בכמויות משמעותיות של מים לחקלאות״.

ומה שמוזרם לים ולנחלים לא פוגע באיכות הסביבה?

״התקנים היום מאוד מחמירים, ומה שקורה זה אפילו להיפך. המכון בהוד השרון, למשל, מזרים מים מטוהרים לנחל הדס ומשם לירקון, וזה שיפר מאוד את מצבו של הירקון. אפילו הופיעו שם אוכלוסיות חדשות של דגים, ואנשי רשות הירקון מאוד מרוצים״.


כמה מילים על קולחי השרון

מכון הטיהור קולחי השרון, המצוי בימים אלה בשלבי בנייה מתקדמים, ממוקם על אדמות של חברת יכין חקל ליד כלא תל מונד. מכון זה יהיה המכון המקורה היחידי בארץ, מה שאומר שכל המתקנים ואפילו בריכת האגירה יהיו מקורים. הקירוי לא בא למנוע בעיית ריח, מאחר שזו ממילא אינה קיימת. יכין חקל דרשו את הקירוי, כשההסבר לדרישה היא החשש מבעיית יתושים שיפגעו בפרי ההדר. המים המטוהרים מהמכון ישמשו בקיץ את פרדסי יכין חקל, ואילו בחורף יועברו לבריכת אגירה וחלקם יוזרמו לנחל פולג.


קומפוסט וגז בישול

מה עושים עם הפסולת? 

״כ־45 אחוז מההשקעות במכון טיהור הן לצורך הטיפול בבוצה. זה אמנם חלק מאוד מזערי מהתוצר, אבל זה מאוד מרוכז, וחוסר טיפול עלול להביא למפגעים של ריח, חיידקים, מכרסמים, יתושים ועוד. השלב הראשון הוא הקטנת נפח הבוצה, כלומר הסמכתה. במכונים גדולים, הטיפול בבוצה נעשה במכלים סגורים, וגם כאן משתתפים בתהליך חיידקים, שמשתמשים בחמצן שבחומר האורגני ומפרקים אותו. לפירוק הזה יש שני תוצרים: האחד הוא קומפוסט, שלאחר ייבוש סופי משמש כחומר דישון לחקלאות, והשני הוא גז מתאן, המוכר כגז בישול.

״בארצות הברית ובאירופה משתמשים בגז הזה להפקת חשמל באמצעות ביו־גנרטור, ובמכון המשותף לכפר סבא והוד השרון אנחנו מפיקים חשמל לצורכי המכון עצמו. המכון המתוכנן באשקלון אמור לכלול ביו־גנרטור כזה, ואני מניח שבעתיד יוקמו ביו־גנרטורים ברוב המכונים.

״במילים אחרות, למכון טיהור שמתוכנן טוב יש שלושה מוצרים: מים מטוהרים, קומפוסט וגז מתאן, ואת שלושתם ניתן לנצל".


ומה עם המים שזורמים ברחובות?

כל בינוי חדש מסב נזק למשק המים, מה שנותן עוד טיעון חשוב לירוקים למיניהם. קריצ׳מן: ״אני אישית מאוד נגד בולמוס הנדל״ן, נגד מה שנקרא 'אלבישך שלמת בטון ומלט'. ככל שיהיה יותר אספלט, יותר בתים, יותר כבישים, יותר שטחי בטון, שטח הקרקע שבו יכולים המים להיספג קטן, פחות מים חודרים לאקוויפרים ויותר מים טובים מגיעים ישירות לים״.

מי שרואה עיר ביום גשם, עם כל המים הזורמים בכבישים, יכול לקבל רושם הפוך דווקא, ואף לכעוס על הבזבוז המשווע בכך שלא מנצלים את מי הגשמים הזורמים ברחובות. הנה, יש כל כך הרבה מים טובים, וכל מה שצריך זה פשוט לאסוף אותם.

קדיצ׳מן ופולקמן, כל אחד בתורו, דואגים להפריך את המחשבה הזאת. קריצ׳מן: ״אגירה מלאכותית של מים היא יקרה. המאגרים שיש לנו כרגע הם טבעיים. לא היה צורך לבנות אותם וכמעט לא צריך לטפל בהם. זה חינם. כך שבכל מקרה, המים האלו יהיו יותר יקרים מהמים שיש לנו מהכנרת והאקוויפרים, מעצם זה שנאלצנו לבנות את מערכת הניקוז ואת המאגרים ולטפל בהם. בפועל, השיטה הזאת היא גם הרבה יותר יקרה מהרבה שיטות אחדות. למשל, הרבה יותר זול להתפיל מי ים״.

פולקמן מסביר את אחת הסיבות לעלות היקרה: ״מערכת הצינורות צריכה להיות כזו שתוביל כמות עצומה של מים בפרקי זמן קצרים, ובמרבית הזמן תישאר ללא ׳תעסוקה׳. לצנרת כזו יש עלות עצומה, וגם לאחר האגירה, למרות שמדובר במי גשמים, עדיין יש לטפל במים על מנת להפכם ראויים לשתייה. פרט לכך, אתה בונה מערכת שלמה של צינורות ובריכות אגירה, שתפעל כל שנה, אבל הצורך בה יתעורר רק אחת לכמה שנים. לכן, אגירת מי נגר עיליים כשיטה, זה דבר לחלוטין לא כלכלי, למעט במקרים בודדים, כמו מאגר למי שטפונות בקצה נחל״.

 

פורסם באמצע חדרה -  20.5.1999


יום רביעי, 12 במאי 1999

לזרז את האבולוציה – אמיר עדן


תורת האבולוציה (על רגל אחת) מתבססת על המושגים מוטציה וברירה. מוטציות מתרחשות כל העת. אם תוצאה של מוטציה מסוימת מקנה יתרון ליצור הנושא אותה ומשפרת את יכולת הישרדותו, אזי בתהליך ארוך עשויה מוטציה זו להתבסס באוכלוסייה הכללית.

לפחות במקרה אחד, סבורים חוקרים אחדים, לא סיימה עדיין האבולוציה את עבודתה. למרבה הפלא מדובר באנזים מרכזי מאוד בעולם החי. שמו רוביסקו (Rubisco), והוא האנזים המרכזי בתהליך קשירת הפחמן הדו-חמצני.

מקור האנרגיה הטבעי לפוטוסינתזה הוא אור השמש, ובשרשרת תהליכים כימיים מורכבים נוצר סוכר מפחמן דו־חמצני (CO2) ומים. הרוביסקו הוא האנזים הקושר את הפחמן הדו־חמצני בתהליך. באופן פרדוכסלי מתברר שאם מצוי חמצן (O2) בסביבה יכול הרוביסקו לקשור אותו במקום הפחמן הדו־חמצני, ותוצאת התהליך במקרה זה היא פליטת פחמן דו־חמצני במקום קשירתו. הבחירה בין קשירת פחמן דו־חמצני ויצירת סוכר לבין קשירת חמצן ופליטת פחמן דו־חמצני תלויה למעשה רק בזמינות שני הגזים וביחס ביניהם.

דגם תלת מימדי של הרוביסקו
המקור:  ARP at English Wikipedia, 2005

למצב מוזר זה יתכנו שני הסברים: לפי הסבר אחד, במקרה של קשירת החמצן יש אמנם בזבוז אנרגיה ללא יצירת סוכר, אך יתכן שבתהליך מתקבלים תוצרים אחרים הנחוצים לצמח. ידועים תוצרים רבים המתקבלים בתהליך זה, אך גם לאחר שנים רבות של מחקר לא התבררה חשיבותם ונראה שהצמחים יכולים להסתדר גם בלעדיהם.

הסבר אחר לתופעה מניח שמדובר ב״פיקשוש׳, של האבולוציה ושהאנזים אכן לא יעיל ואינו מותאם בצורה מושלמת לביצוע תפקידו. ניתן להבין את ההיגיון שברעיון זה אם נזכור שכאשר הופיעו הצמחים הראשונים על כדור הארץ לא היה חמצן באטמוספרה. מרגע שהחמצן היווה מרכיב משמעותי באטמוספרה, כך סבורים חוקרים, מצאו הצמחים פתרונות אחרים, למשל ייצור יותר רוביסקו כדי לפצות על חוסר היעילות שבתפקודו (הרוביסקו נחשב לחלבון הנפוץ ביותר בעולם ומהווה לעתים עד חמישים אחוז ממסת העלים!). התומכים בהסבר זה סבורים כי לא הופיעו עדיין המוטציות הנכונות שיובילו לשינוי במבנה האנזים באופן שיגדיל את הספציפיות ל־CO2) ולא לחמצן. ראוי לציין גם שרוביסקו הוא אחד האנזימים האיטיים המוכרים לנו - הוא משלים רק שלושה מחזורי תגובה בשניה בהשוואה לאלפי מחזורים לשניה באנזימים רבים.

האם ניתן לזרז את האבולוציה וליצור את המוטציות הנכונות באופן מכוון? ניסוי כזה נעשה לפני 25 שנה, אך עד כה לא התקבלו תוצאות חיוביות. למרות זאת, גדל בהתמדה מספרם של המדענים הנענים לאתגר. הסיבות לכך רבות: ראשית, מפני שמדובר באנזים ענק ומורכב, כך שמספר השינויים שניתן לבצע בו הוא עצום. שנית, מפני ששיטות ההנדסה הגנטית הולכות ומשתפרות בהתמדה ולכן ניתן לעשות היום שינויים יותר מורכבים מבעבר. גם הידע הבסיסי על האנזים ואופן פעולתו רב והולך. עיקר הידע בתחום זה מגיע ממחקר בביולוגיה מבנית, תחום העוסק בפענוח המבנה האטומי המדויק של חלבונים, ובכללם אנזימים, ובניסיון להבין איך מאפשר המבנה את הפעולה. המבנה המלא של הרוביסקו מוכר מזה מספר שנים, אבל - אולי בשל מורכבותו - לא עלה בידי החוקרים לפענח את אופן פעולתו, ובעיקר, אילו שינויים יהפכו אותו ליעיל יותר. אחדים מן המדענים סבורים שכשלונות אלה מעידים כי מה שנבצר מהאבולוציה, נבצר גם מהמדע...

מה אם־כן המקור לאופטימיות? לאחרונה זוהה רוביסקו שמקורו באצות אדומיות שיעילותו גבוהה פי שלושה מזו של רוביסקו הצמחים. מדענים מקווים עתה להגיע להבנה אילו הבדלים בין החלבונים הם החשובים לשיפור יעילות האנזים, מתוך תקווה שניתן יהיה להנדס הבדלים אלה ברוביסקו שבצמחים. חשיבותם הכלכלית והחברתית של ניסויים אלה עצומה, בעיקר נוכח התחזיות על גידול האוכלוסין על פני כדור הארץ והמחסור הצפוי במזון. חברות מסחריות גדולות משקיעות בימים אלה משאבים גדולים בחקר הרוביסקו.

פורסם ב"גליליאו" 34, מאי-יוני 1999.

יום ראשון, 2 במאי 1999

תחמוצות החנקן - קשה איתן, אי אפשר בלעדיהן - ענת גלבוע-רון


השרך אזולה (Azollae) נמצא בסימביוזה עם האצה הכחולית אנאבנה (Anabaenae), וביחד הם מקבעים חנקן אטמוספרי. במזרח הרחוק מפזרים שרך זה בשדות האורז בין עונות הגידול, על-מנת להעשיר את הקרקע בתרכובות חנקן
(צילום: עמיקם שוב)

אנחנו זקוקים לתחמוצות חנקן ותלויים בהן. קצב הגידול של המין האנושי תלוי בכמות החנקן הזמינה לצמחים בקרקע. אך בה בעת, התוספת המסיבית של תחמוצות חנקן לקרקע, למים ולאוויר, גורמת להשפעות הרסניות, הנעות בחומרתן ובהיקפן מבעיות בריאות מקומיות ועד למפגעים גלובליים. פתרונות יש, אך ספק אם ניתן יהיה ליישמם בטווח הנראה לעין.


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. 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.

הפרשות ו"זבל ירוק"
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).

    

פקעית בצמח התורמוס (משמאל) ובצמח הלוטוס. חיידקים מיוחדים (ריזוביום) הנמצאים בפקעיות, מקבעים חנקן אטמוספרי ליצירת אמוניה.
(צילומים: עמיקם שוב)

ברקים מקבעי חנקן

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.


התערבות האדם במחזור החנקן מתבטאת בעומס יתר של תרכובות אמוניה וחנקות באוויר, בקרקע ובימים, וזאת, בשני תהליכים: שריפה להנעת תחנות-כוח ומכוניות וייצור דשנים כימיים


הקללה שבברכה
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.






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.







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

תחמוצות חנקן - N2O; NO; NO2 - (NOx): 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.