Nitrogen fins a l'arrel

La increïble i cruenta història del N, un element que és a les proteïnes, als explosius i als fertilitzants. Però els nitrats enverinen l'aigua. Una empresa catalana ha inventat un mètode eficaç de descontaminació. Fins a principis del segle XX la producció agrícola estava limitada per la disponibilitat de nitrogen, N, perquè les plantes el necessiten per créixer. En conseqüència, les collites eren irregulars i escasses i molta gent moria de fam. Però poc abans de la Primera Guerra Mundial un químic alemany, Fritz Haber, aconsegueix fixar el nitrogen de l'aire, cosa que permet fabricar fertilitzants a base de nitrats. El descobriment de Haber donava vida a les plantes i menjar a la població. Malauradament, ell va ser el primer a fer servir el seu descobriment per a la fabricació d'explosius. Ara l'abús dels productes basats en el N, contamina tots els ecosistemes. Dos invents recents ens ajudaran a restablir l'equilibri del cicle del N: els catalitzadors dels cotxes que eliminen els gasos tòxics (NOx) i l'electrodesnitrificació, un mètode revolucionari patentat per l'empresa catalana Hydrokemós per eliminar els nitrats de l'aigua transformant-los en el gas atmosfèric N2, que és inert. L'explosiva vida de Fritz Haber El guano, que és femta d'ocells marins, i el nitrat de Xile -una barreja mineral- són els millors adobs naturals que es coneixen. L'imperi britànic en controlava el comerç i amb això controlava també el pa de les potències rivals. Però a principis del segle XX el químic alemany Fritz Haber va aconseguir sintetitzar amoníac (NH3) a partir del nitrogen atmosfèric. Era una fita històrica que reproduïa al laboratori allò que els bacteris fan als ecosistemes i donava pas als adobs sintètics. El N i la guerra química Quan el 1914 esclata la Primera Guerra Mundial, França usa per primer cop en la història armes químiques. Els dos bàndols es maten amb gas fosgè, que fa olor d'herba tallada i que sega moltes vides als camps de batalla. Haber, patriota germànic, proposa atacar també amb núvols de clor. Quan amb les màscares troben la manera de neutralitzar-lo, Haber se supera i inventa el gas mostassa, que et crema tant si et toca la pell com si el respires. La seva dona, Clara Immerwahr, doctorada en química amb magna cum laude, diu públicament que la guerra química és l'abominació de la ciència i un signe de barbàrie. Ell respon que és tan cruel matar amb gas com amb metralla. Per cert, la fabricació industrial d'explosius es basa també en els nitrats sintetitzats per Haber! El conflicte ètic de la parella arriba a tals límits que... Una tragèdia grega El conflicte ètic de la parella arriba a tals límits que, un dia, Clara, horroritzada, agafa la pistola del seu marit i se suïcida... davant seu. Però aquesta tragèdia grega no s'acaba aquí! El 1918 Alemanya és derrotada. Aquell mateix any, Haber rep el Premi Nobel pels fertilitzants i continua fent recerca. Estudia el gas Zyklon per desenvolupar un pesticida. Hitler arriba al poder el 1933 i comença la campanya contra els jueus. Què fa Haber? Haber era un patriota... jueu i això esborrava qualsevol mèrit. Es veu forçat a exiliar-se a Suïssa, però la seva família es queda a l'alemanya nazi. Molts d'ells moriran a les cambres de gas asfixiats paradoxalment amb gas ZyklonB que genera àcid cianhídric gasós HCN (la N és de nitrogen). Una eina de dos talls Aquest cas representa molt bé la cara i la creu de la utilització de la ciència. Hi ha més menjar i menys plagues gràcies a les recerques de Haber, que fins i tot va posar les bases per desenvolupar nous fàrmacs. Però la mateixa persona va posar la ciència al servei de la mort. I tot va començar amb la recerca del nitrogen, un element vital tan abundant com difícil de capturar. Cicle del nitrogen El nitrogen és un element essencial per a la vida, però la seva accessibilitat és limitada. El compartiment més important del planeta on s'acumula és a l'atmosfera (N2). D'aquí, uns bacteris especials l'introdueixen a la biosfera a través d'un procés anomenat fixació. Un cop allà es va transferint a través de la cadena alimentària dels vegetals als animals herbívors, i dels animals herbívors als carnívors. Quan tots aquests organismes moren, o través de la seva excreció, el N torna al sòl, i d'allà uns altres bacteris especials el retornen a l'atmosfera en un procés anomenat desnitrificació. La nostra atmosfera conté un 78% de nitrogen. L'origen del nitrogen, però, es localitza en la foscor més pregona de la Terra, al mantell, i s'expulsa a través dels volcans, barrejat amb núvols de cendra. Es tracta d'un element bàsic per a la vida, però de disponibilitat limitada per un llarg cicle biogeoquímic. Fixació del nitrogen Alguns dels bacteris fixadors de nitrogen es localitzen en uns nòduls a les arrels de les plantes lleguminoses com la mongetera o la favera, i estableixen una relació mutualista. Les plantes els subministren productes de la fotosíntesi als bacteris i aquests a canvi subministren nitrogen a les plantes. Els pagesos coneixen aquesta activitat des de fa molts segles i tradicionalment practiquen la rotació de cultius, alternant lleguminoses amb altres conreus per enriquir el sòl amb nitrogen. A escala planetària els organismes fixadors de nitrogen són, però, molt més abundants als oceans. Fitoplàncton i Cianobacteris El reporter Pere Renom s'embarca en el Caribdis, un vaixell de la Universitat de Barcelona, per pescar algues microscòpiques, fitoplàncton. El plàncton treballa fent la fotosíntesi i els planctòlegs treballen estudiant-lo. Josep Maria Gasol, de l'Institut de Ciències del Mar, estudia les interioritats d'aquests microorganismes. Explica al reporter que al microscopi es pot veure com certes algues unicel·lulars contenen al seu interior cianobacteris simbionts fixadors de nitrogen. Com passava amb les lleguminoses, els cianobacteris subministren nitrogen a les algues a canvi de productes de la fotosíntesi. Aquesta associació és necessària perquè bioquímicament la fixació de nitrogen només es pot produir en absència d'oxigen, i la fotosíntesi per definició produeix oxigen. Per tant, els dos processos es donen per separat en organismes diferents. N2, una molècula molt estable Si a la biosfera li resulta difícil fixar el N, pels químics l'àtom de N ha estat un dels elements més difícils d'aïllar, tot i que l'aire està ple de nitrogen, però en gas no es troba sol, sempre va aparellat amb un altre àtom de N. És la molècula N2 o dinitrogen. Un gas pràcticament inert. En condicions normals, com les d'ara i aquí, no reaccionaria pràcticament amb res. Si fem foc, l'oxigen reacciona, en canvi, el nitrogen de l'aire ni s'immuta. Com és que l'N2 és una molècula tan estable? Veiem la seva estructura atòmica per conèixer millor el nitrogen. És el setè element de la taula periòdica (la posició a la taula periòdica ve donada pel nombre de protons al nucli que, en estat fonamental, coincideix amb el nombre d'electrons en total en les diverses capes electròniques). El nitrogen, N, té set electrons: 2 a la capa interna i 5 a l'externa. (L'òrbita externa són els que intervenen en les combinacions químiques). Però, per ser estable, el nitrogen voldria tenir vuit electrons a l'última òrbita. Com els gasos nobles, que no volen tenir tractes amb ningú. El fort enllaç covalent I com s'ho fa per arribar als 8 electrons externs que et fan noble? S'associa amb un altre N2 idèntic i estableix un enllaç triple. Cadascun comparteix tres electrons amb l'altre. Entre els dos hi ha 6 electrons compartits (3 de seus i 3 del soci). Fixeu-vos-hi: cada un manté els seus 5 electrons de l'òrbita externa, i com que també disposa de 3 electrons de l'altre és com si en tingués 8, i no li cal relacionar-se amb ningú més. Aquest enllaç per compartició d'electrons del nitrogen molecular és extraordinàriament fort i s'anomena enllaç covalent (els altres dos tipus són el iònic i el metàl·lic). Si volem separar els dos N que hi ha en la molècula hem d'aportar moltíssima energia. El mèrit de Haber va ser trobar la manera d'aplicar aquesta energia per trencar el dinitrogen i així poder combinar el nitrogen molecular amb altres elements. Procés Haber-Bosch El procés de síntesi d'amoníac (NH3) a partir de N2 i l'H2atmosfèrics rep el nom de Haber-Bosch, en reconeixement, també, a Carl Bosch, l'enginyer químic que va desenvolupar-lo a escala industrial, per la qual cosa ell també va guanyar el Premi Nobel l'any 1931. Es tracta d'un procés imprescindible per a la humanitat, tot i que genera molts gasos d'efecte hivernacle i s'estima que consumeix el 2% de l'energia mundial. Trencar l'enllaç covalent de la molècula de nitrogen té un preu molt alt. El professor de química inorgànica de la UB Narcís Homs, va dedicar la seva tesi a estudiar catalitzadors alternatius del procés Haber. Explica que la síntesi d'amoníac té un cost energètic tan elevat que és extremadament difícil que es produeixi espontàniament. Vindria a ser com travessar una serralada imponent, passant pels cims més alts. Amb la intervenció d'un catalitzador, el cost energètic disminueix radicalment. Seria com travessar la mateixa serralada per un túnel. El catalitzador és, doncs, una drecera química. La gran contribució de Haber va ser precisament trobar aquesta drecera. Explosiu s'escriu amb N Una explosió és un augment ràpid de volum i de temperatura. I part de la responsabilitat la té el nitrogen, que ens retorna tota l'energia que li vam aportar per poder trencar la molècula d'N2. Tota, i de cop. Una característica important dels explosius és la seva velocitat de detonació; com més ràpida en sigui l'expansió, més potent serà l'explosiu. El nitrogen és un element amb espurna. La seva història com a explosiu es remunta al segle IX, amb la invenció xinesa de la pólvora. Més tard van aparèixer la nitroglicerina, el TNT, l'amonal... nitrogen en diferents combinacions químiques. Com pot ser que un element tan ensopit com el nitrogen estigui a gairebé tots els explosius? Nobel també s'escriu amb N Analitzem, per exemple, el cas de la nitroglicerina, "nitro" (de nitrogen)-glicerina (un alcohol). La nitroglicerina és molt inestable, a 41 graus explota. No apta per a enfebrats ni tremolosos, una sacsejada la pot fer petar. Per exemple, si n'agites un sol cm3, passaria de cop a gas - un gas que arribaria a 5.000 graus de temperatura!- i ocuparia ràpidament un gran volum. I, poca broma, amb una ona expansiva que va a 7.700 metres per segon! Un mur d'aire a pressió que et colpeja a 22 vegades la velocitat del so. Abans de sentir el soroll ja has volat! E 1867, el químic suec Alfred Nobel va estabilitzar la nitroglicerina i va inventar la dinamita, segura i fàcil de transportar. Utilitzada sobretot en mineria i armament, li va permetre acumular una enorme fortuna amb què va instituir el premi que porta el seu nom. D'aquella època també és el trinitrotoluè, o TNT. Els explosius actuals sovint són modificacions d'aquests compostos. Pirotècnia La potència d'una explosió depèn de la pressió en què està continguda la pólvora. L'especialista en pirotècnia Patxi Igual fa un experiment amb el reporter Pere Renom per demostrar-ho. La fabricació de la pólvora és ben senzilla: només cal mesclar un 70% de nitrat de potassi (KNO3), un 15% de carbó i un 15% de sofre durant una bona estona. El resultat és un polsim grisós molt fi i altament deflagrant. També és possible modificar la quantitat relativa de carbó i de sofre per aconseguir una pólvora més o menys potent i donar-li usos diferents. La pólvora lenta és la base de l'efecte pirotècnic ja que genera guspires de llarga durada per marcar bé la figura de la palmera al cel. Per contra, la pólvora forta es consumeix amb velocitat i té potència per fer girar carrutxes i crear els amplis ventalls dels correfocs. També salva vides Un altre ús beneficiós dels explosius són els coixins de seguretat o airbargs. L'acció d'inflar-se dura 40 mil·lisegons i és el resultat d'una triple reacció química en què intervenen dos compostos de nitrogen, el nitrur de sodi (NaN3) i el nitrat de potassi (KNO3), i s'allibera nitrogen gasós, com l'atmosfèric (N2), que infla la bossa. Nitrogen a l'organisme Quan nosaltres ingerim verdura o proteïna, incorporem el N al nostre cos, i l'utilitzem per fabricar de tot. Però bàsicament dues molècules principals: els aminoàcids (aa) i les bases nitrogenades. Els aa s'anomenen així perquè tenen un grup amino (NH) i un grup àcid (COOH). N'hi ha una vintena i són les peces, els maons amb els que fabriquem totes les proteïnes del cos. Combinant-los fabriquem tots els teixits, la pell, els músculs, els vasos, els òrgans estan formats per proteïnes, però a més, tots els enzims que regulen totes les reaccions químiques del cos també són proteïnes. D'altra banda tenim les bases nitrogenades. N'hi ha quatre de diferents, adenina (A), guanina (G), citosina (C) i timina/uracil (T/U), les famoses quatre lletres de l'ADN, presents a totes les cèl·lules del cos. Es calcula que el 50% de tot el nitrogen del cos procedeix del procés Haber-Bosch, és a dir, que per molt natural que sigui la nostra dieta, som mig artificials. Nitrogen farmacològic Hi ha altres substàncies molt riques en nitrogen que consumim, perquè tenen interessants efectes farmacològics: els alcaloides. Es tracta de molècules d'origen vegetal derivades d'aminoàcids. Les plantes les segreguen per defensar-se dels herbívors. Els exemples més coneguts són la cocaïna, procedent de la planta de la coca; la morfina, procedent del cascall; un tipus de rosella; la quinina, obtinguda de la quina; la cafeïna del cafè; la nicotina del tabac, o la teobromina del cacau. Nitrogen com a fertilitzant Actualment, amb el procés Haber-Bosch es produeixen 225 milions de tones d'amoníac a l'any, que es fan servir, sobretot, per fabricar fertilitzants. Aquest fet ha incrementat el rendiment dels cultius i ha permès un creixement exponencial de la humanitat. A principis del segle XX érem 1.600 milions d'habitants i ara en som 7.300. Amb el procés Haber-Bosch, el cicle del nitrogen s'ha alterat, ja que els fertilitzants químics han fet incrementar espectacularment el flux d'entrada de nitrogen a la biosfera. N com a contaminant de l'aire El N no només entra al nostre cos a través de l'alimentació, també ho fa a través de la respiració. En cada inspiració introduïm N2, un gas inert que expirem tal qual. Tanmateix, en ambients urbans també aspirem altres gasos de nitrogen. Els òxids de nitrogen, el monòxid i el diòxid de nitrogen (NO i NO2), són gasos molt contaminants que contribueixen a la formació de boirum i poden generar pluja àcida i eutrofització. Però, a més, són els responsables de 76.000 morts anuals a Europa per malalties respiratòries. Les seves fonts principals són les emissions de la indústria, les centrals tèrmiques, els vaixells grossos, les calefaccions domèstiques i el trànsit. Xavier Querol, investigador de l'institut de Diagnòstic Ambiental i Estudis de l'Aigua (DÆA- CSIC) explica que per reduir la contaminació hauríem de reduir l'ús del cotxe particular en favor dels transport públic. A banda de canviar els hàbits de transport, també hi ha solucions tecnològiques per reduir la contaminació amb òxids de nitrogen. Podem substituir els cotxes convencionals per cotxes elèctrics, o bé podem incorporar un sistema catalitzador al tub d'escapament anomenat Adblue, que transforma els òxids de nitrogen en N2 i vapor d'aigua. També contamina l'aigua Els compostos del nitrogen no només embruten l'aire, també embruten l'aigua. Tant els fertilitzants químics com els orgànics, especialment els purins, són arrossegats per la pluja i contaminen els rius i, sobretot, les aigües subterrànies amb nitrats (NO3). Aquest compost transforma completament els ecosistemes aquàtics i converteix l'aigua en no potable, ja que és un potent cancerigen. A Osona, més de la meitat de les fonts no són potables, encara que el nivell de contaminació fluctua d'un any a l'altre en funció de les pluges. Desnitrificació Els microorganismes no donen l'abast per desnitrificar tot l'excés de nitrogen que els humans hem introduït artificialment a la biosfera. Cal, doncs, incrementar-ne el flux de retorn a l'atmosfera. I cal fer-ho artificialment. L'empresa catalana Hydrokemós ha assolit una fita tecnològica sense precedents. Ha inventat i patentat un sistema per eliminar els nitrats de l'aigua sense crear cap residu. Es basa en un mètode electroquímic, és a dir, fa servir l'electricitat per desencadenar una sèrie de reaccions químiques. A Santa Perpètua de Mogoda ha instal·lat la primera planta del món que funciona a nivell industrial. L'aigua contaminada s'introdueix a dins d'uns reactors que contenen un munt d'elèctrodes. Ruth Canicio directora d'Hydrokemós explica com funciona el procés electroquímic de depuració. La seva gran avantatge és que no separa els contaminants, sinó que els destrueix. Gràcies a la química ara som capaços d'extreure nitrogen de l'atmosfera, utilitzar-lo en la indústria o en l'agricultura, i retornar el que sobra altra vegada a l'atmosfera. D'aquesta manera el cicle biogeoquímic del planeta no s'altera. Només el fem girar més de pressa. Els experts Hi intervenen Josep Maria Gasol, Institut de Ciències del Mar (CSIC); Narcís Homs catedràtic Química Inorgànica, UB; Jordi Elias, pagès; Patxi Igual, Pirotècnia Igual; Xavier Querol, IDÆA- CSIC; Ruth Canicio, Hydrokemós. Hem comptat també amb l'assessorament del professor de Química Àngel Villalba. Fitxa Dia d'emissió: 9 d'octubre del 2019 Director i presentador del programa: Jaume Vilalta Un reportatge de: Pere Renom i Cari Pardo. Realització: Toni Bargalló. Producció: Virginia Garn Responsable científic: Ignasi Arribas Ambientació: Montse Minguell