Фосфор – стратегическое сырье ХХI века

Фосфор – стратегическое сырье ХХI века

Михаил Бутусов, Д.физ-мат.н., профессор, эксперт в области коммерциализации научных исследований

Фото: organicfarmingblog.com

Фосфор, названный академиком А. Ферсманом «элементом жизни и мысли», – обязательный компонент существования жизни на Земле. Сокращение природных запасов фосфатных руд, впервые отмеченное в начале нового тысячелетия, является стратегическим вызовом, одной из главных причин наступающего мирового кризиса продовольствия и связанных с ним международных конфликтов.

Продовольственная безопасность – хорошо забытое старое

Новое столетие характеризуется обострением противоречий между двумя противоположными тенденциями развития цивилизации – ростом потребления основных факторов жизнеобеспечения (энергия, пища, вода) и сокращением их доступных запасов. Усиление неравномерности экономического развития между разными странами и континентами создаёт возможность приоритетного доступа к этим убывающим природным ресурсам для сравнительно малой части народонаселения планеты. Приоритетность достигается всеми доступными средствами, в том числе политическими, экономическими и военными.

Нехватка продовольствия в течение многих столетий служила естественным ограничителем роста народонаселения и урбанизации, а, следовательно, индустриального развития. Эффективность земледелия до середины XIX века оставалась практически неизменной и основывалась на многовековой практике землепользования. С увеличением численности городского населения появилась потребность в расширении площадей и освоении все более удалённых земельных угодий для производства продуктов питания. Возникли проблемы, связанные с охраной этих земельных угодий, выращиванием сельхозпродукции и доставкой её в города. Повышение стоимости производства продуктов питания порождало массовые голодные бунты. Таким образом, продуктивность земли ограничивала социальное равенство и экономический рост.

Решение проблемы продовольственной безопасности заключалось в том, чтобы найти способ разрешения конфликта между развитием цивилизации и ограниченностью плодородия доступных земель. Такой способ, на первый взгляд, был найден в результате открытия «магической триады» удобрений – фосфора, калия и азота, которое было сделано немецким химиком Юстусом фон Либихом в 1840 г. Внесение в почву этих минеральных удобрений дополнительно к имеющимся в ней органическим, позволявшее резко увеличить её продуктивность, ознаменовало начало «зелёной революции». Открытие фон Либиха в его упрощённой форме стало агрохимической аксиомой на последующие полтора века – «больше минеральных удобрений – выше урожаи». При этом не учитывались ограниченность природных запасов этих минералов (особенно фосфора), а также возможные негативные последствия, которыми чревата «зелёная революция», как и многие другие революции.

Фото: www.businessinsider.com.au

Рецепт фон Либиха – панацея или эйфория?

Рецепты «зелёной революции» поначалу позволили существенно увеличить продуктивность почвы и повысить урожайность на сравнительно ограниченных территориях. Подкреплённые интенсивным развитием промышленности минеральных удобрений, эти меры казались всемирной панацеей. За исключением периодов мировых войн и рецессии 1930-х годов, интенсивное земледелие продолжало обеспечивать доступность продуктов питания по более низким ценам все большему количеству людей. Начался ускоренный рост народонаселения, который ранее ограничивался скудостью урожаев. С 1965 г. по настоящее время народонаселение Земли выросло с 3,2 млрд до 7 млрд человек. Экономический рост некоторых плотно населённых стран Азии стимулировал переход от растительного рациона питания к мясному. Мировое потребление мяса за тот же период утроилось. При этом не было принято во внимание, что при аналогичной питательности общее количество сельскохозяйственной продукции, необходимой для мясного рациона, возрастает примерно в 4 раза. Кроме того, все больше пахотных земель выводилось из оборота под промышленное, гражданское строительство и проекты «биотоплива». В результате с 1960 г. по 2010 г. площадь пахотных земель в расчете на одного жителя планеты сократилась вдвое – с 0,4 га до 0,2 га [1].

Нагрузка на каждый гектар плодородной земли продолжала неуклонно расти. На горизонте замаячило повторение продовольственного кризиса двухсотлетней давности. К концу ХХ столетия вновь актуализировался конфликт между потребностью в продовольствии и ограниченностью плодородия земель. Можно ли было предвидеть этот конфликт? Да. Но и биологи, осознававшие критическую роль фосфора в нашей жизни, и геологи, знавшие об ограниченности фосфатных запасов, и экологи, осведомлённые о вредных последствиях использования устаревших методов производства и применения фосфатных удобрений для природы, уступили напору политиков. Последним надо было снять социальную напряжённость, вызванную дефицитом продовольствия. Серьёзное давление исходило также от монопольных производителей, которые не хотели упускать прибыли от продажи удобрений, и фермеров, которым эти удобрения были нужны каждый год. Стремление «группы давления» продлить призрак былого благополучия и вера некоторых их сторонников из числа учёных в непогрешимость постулатов фон Либиха подсказали простое решение – ещё больше увеличить нормы внесения минеральных удобрений в почву. Поэтому всего за пятьдесят лет, с 1950 по 2000 гг., объёмы руды, добываемой в мире для производства фосфорных удобрений, выросли с 18 млн т до 140 млн т в год.

Фосфор – элемент жизни и мысли

Этой формулировкой академик А. Ферсман уже в 1930-е годы призвал человечество внимательно и бережно относиться к добыче и использованию фосфора. Он обращал наше внимание на то, что фосфор, далеко не самый распространенный элемент на планете (его в земной коре всего 0,08%), так же незаменим для жизни, как кислород, углерод и водород. И до сих пор лишь немногие понимают двоякую роль фосфора в органической жизни как ее творца и губителя.

Об этом рассказывается в книге «Фосфор – элемент, который могли назвать Люцифером», недавно опубликованной издательством «Springer» [2]. Дело в том, что открывший фосфор в 1669 г. немецкий алхимик Хенниг Бранд дал ему греческое название («фосфор» по-гречески – светонесущий) за способность издавать слабое свечение. Если бы вместо греческого Х. Бранд использовал латынь, то новый элемент назывался бы Люцифером.

Ни один химический элемент не выполняет в процессах жизнеобеспечения такого множества необходимых и разнообразных функций, как фосфор.

Люцифер у нашего порога

Поскольку человек и животные получают необходимое им количество фосфора из пищи, а растения – из почвы, более 80% всего добываемого в мире фосфора идёт на производство удобрений [3].

Однако в многочисленных работах о стратегии человечества в условиях сокращения природных запасов можно найти все, что угодно: от пресловутой энергобезопасности до нарастающего дефицита песка. Энергодебаты идут на всех фронтах. Голоса тех, кто пытается начать широкое обсуждение проблемы фосфора, слабо слышны, и они часто имеют имидж whistleblowers. Так, среди участников Всемирной конференции по воспроизводству фосфатных запасов в 2011 г. было 100 учёных и ни одного представителя официальных структур [1].

Правильно ли это? Ведь если для углеводородных видов топлива можно, в крайнем случае, найти много альтернативных вариантов энергообеспечения – от нелюбимой широкими массами атомной энергии до возобновляемых природных источников (вода, ветер, солнце), то фосфор незаменим.

Распространено мнение, что фосфора на Земле так много, что хватит для безбедной жизни ещё на сотни лет. И якобы он так щедро распределён по континентам и странам, что конфликты между ними по этому поводу вряд ли возможны. Увы, все это не так. Как качество рудных запасов, так и степень их доступности для добычи, а, следовательно, и себестоимость продукта сильно различаются.

Всего несколько стран располагают значительными запасами фосфатных руд. Общий примерный объем мировых запасов составляет 16 млрд т. Из них на долю Марокко приходится 5,7 млрд т, Китая – 3,7 млрд т, ЮАР и Иордании – по 1,5 млрд т, США – 1,1 млрд т, на долю остальных 5–6 стран, включая Россию, – приблизительно по 0,2 млрд т. Infomine

Эти цифры сами по себе ещё не отражают остроты проблемы. На самом деле важно, сколько мы потребляем фосфатов и как их используем.

Из 140 млн т ежегодно добываемой фосфатной руды в растения в виде питательных фосфатов попадает всего 40%. Основные методы производства и доставки удобрений остаются высокозатратными. Почти половина фосфорных удобрений теряется на пути от места добычи руды до места применения (земельных угодий) и попадает в окружающую среду, нарушая природное равновесие и приводя к вредным экологическим последствиям, прежде всего для гидросферы.

Упрощённое понимание функций почвы как некоего нейтрального субстрата, необходимого для удержания корней растений и транспортировки растворенных в почвенной влаге минеральных удобрений, пренебрежение опытом предыдущих тысячелетий землепользования привели во многих быстро развивающихся странах к разрушению сложной структуры почвы и ослаблению её естественной биологической функции – неотъемлемого компонента воспроизводства жизни на Земле.

Без постоянного «допинга» в виде все большего количества вносимых минеральных удобрений плодородие почвы снижалось, поэтому потребовалось ускорение темпов «проедания» мировых запасов фосфора, на образование которых ушли миллионы лет. К концу ХХ века цикл круговорота фосфора в природе был полностью разрушен.

Фото: bigpicture.ru

Используя проверенные аналитические методы, специалисты доказали, что на рубеже веков был незаметно преодолён так называемый «пик фосфора». Этим достижением не стоит гордиться, так как оно означает, что в новом веке уже не будет оснований рассчитывать на снижение цен на фосфаты на мировых рынках, а где-то в середине века наступит «фосфорный голод».

Вслед за этим Китай прекратил экспорт необработанных фосфатов, а США перестали продавать фосфатные удобрения за рубеж и приступили к их усиленным закупкам в Северной Африке. Рынки лихорадило, а в 2008 г. наступил первый шок: в течение нескольких месяцев мировые цены на фосфаты взлетели в 4 раза. Многие дилеры перестали покупать удобрения, в ряде стран, полностью зависимых от импорта, начались голодные бунты (например, в Индии). В 2009 г. положение «нормализовалось» – цена вернулась к докризисному уровню +20%, после чего продолжала неуклонно расти из года в год.

Поскольку мировое потребление фосфора увеличивается на 3% в год, возможности обеспечивать продовольствием растущее население планеты зависят от эффективности управления имеющимися ресурсами. К сожалению, международной структуры, которая была бы уполномочена заниматься этими вопросами, не существует, хотя необходимость ее создания очевидна. Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (FAO) и Программа ООН по окружающей среде (UNEP) занимаются статистикой производства и потребления фосфатов и вредными экологическими последствиями их неправильного использования. В то же время могущественная Международная ассоциация производителей удобрений (IFA) лоббирует продолжение добычи и применения минеральных фосфатов без существенных изменений и игнорирует альтернативные технологии рециклинга фосфатов.

Как будет развиваться политическая ситуация в мире в этих условиях? Некоторые политические лидеры, скорее всего, осознают, что фосфор становится первым химическим элементом – кандидатом на включение в Красную книгу. В связи с этим можно провести историческую аналогию и посмотреть, как в XIX веке разворачивались события вокруг запасов органического фосфорного удобрения – птичьего гуано [2].

Фосфор и мировая политика

В начале XIX века было замечено, что на некоторых островах Тихого океана вблизи Южной Америки имеются большие запасы гуано – продукта разложения помета огромных гнездовий океанских птиц. Известный учёный Александр фон Гумбольдт доставил образцы в Европу, и было обнаружено, что гуано содержит высокую концентрацию фосфора. Вот почему перуанские индейцы столетиями добывали гуано и доставляли его сначала на континент, а затем вьючным транспортом на плато в Андах, где выращивали прекрасные урожаи на лишённых плодородия почвах.

Вокруг прав владения этими островами и добычи гуано разгорелись серьёзные страсти. В самом Перу произошло несколько политических переворотов, когда богатые латифундисты устремлялись во власть с целью получить монополию на эти права. Это был первый случай, когда не золото и алмазы, а фосфор прямо повлиял на политическую ситуацию. В поисках решения перуанское правительство предоставило лицензию на этот бизнес британской компании «Anthony Gibbs & Sons». В Англии взошли первые ростки «зеленой революции» – резко выросли урожаи.

Графика: globalpnetwork.net

Соединённые Штаты расценили это как нарушение международного права на свободный доступ к запасам гуано. В 1856 г. Конгресс США принял знаменитый Guano Islands Act, согласно которому американским гражданам предоставлялось право захватывать и объявлять своей собственностью, а, следовательно, американской территорией все острова, где имелись запасы гуано. Демократически избранный парламент издал документ – ближайший аналог королевских эдиктов европейских монархий, дававших право пиратам типа Фрэнсиса Дрейка захватывать торговые суда под флагами «недружественных стран». Но запасы гуано оказались малы для аппетитов враждующих стран – век гуано продлился около 100 лет и привел к полному разрушению природной среды ряда некогда цветущих тихоокеанских островов (например, острова Науру). Оставшихся жителей даже пришлось эвакуировать в Австралию. Причём те, кто за сто лет нажились на добыче гуано, не помогали в этом гуманитарном проекте.

Выводы из уроков прошлого и настоящего

Страны, которые испытывают или вскоре испытают последствия дефицита минеральных фосфатов, должны осознать следующее:

• дефицит фосфатов порождает дефицит продовольствия и провоцирует продовольственный кризис;
• продолжать наращивать добычу минеральных фосфатных руд, чтобы избежать продовольственного кризиса, можно только за счёт значительного роста потребления энергии и воды, поскольку производство минеральных удобрений является одной из наиболее энерго- и ресурсозатратных отраслей;
• в условиях дефицита минеральных фосфатов мировые рынки удобрений станут ещё более волатильными, что поставит под угрозу благосостояние фермеров во многих странах.

В связи с этим необходимо принять срочные меры по обеспечению независимости каждой конкретной страны от импорта фосфатных руд или готовых удобрений, прежде всего, за счёт государственной поддержки развития и внедрения технологий рециклинга фосфатов из фосфоросодержащих отходов. Это позволит обеспечить до 25–35% от национальных потребностей в фосфорных удобрениях [2].

По мере интенсивного развития рециклинга фосфатов целесообразно постепенно прекратить экспорт оставшихся минеральных запасов и модернизировать весь цикл их переработки – от добычи до производства удобрений.
Все больше стран Западной Европы включают эти аспекты в число своих национальных и региональных интересов. Однако в России эти актуальные в экономическом, экологическом и социальном отношениях проблемы пока не считаются приоритетными.

1. Linnér H., Messing I. Agricultural Land Needs Protection // Acta Agriculturae Scandinavica. Section B – Soil & Plant Science. 2012. Vol. 62. № 8.
2. Butusov M., Jernelöv A. Phosphorus: An Element that could have been called Lucifer. N.Y.: Springer, 2013.
3. Cordell D. The Story of Phosphorus. Paper Prepared for SENSE Earth Systems Governance, Amsterdam, 24–31 August, 2008.


Источник