ประวัติศาสตร์ของการปฏิวัติเขียว (ตอนที่ 1) : ประวัติของปุ๋ยไนโตรเจน

ย่อเรื่องโดย ดร.เดชรัต สุขกำเนิด, 15 เมษายน 2562

แม้ว่าโลกจะก้าวเข้าสู่การปฏิวัติอุตสาหกรรมมาตั้งแต่ศตวรรษที่ 19 (ปี ค.ศ. 1800-1900) แต่มนุษย์ทุกคนบนโลกก็ยังต้องบริโภคอาหาร ความหวาดกลัวเรื่อง โศกนาฏกรรมของมัลธัส (หรือ Malthusian Catastrophe) ซึ่งเกิดขึ้นจากการที่ปริมาณประชากรเพิ่มขึ้นเร็วกว่าปริมาณอาหารที่เพิ่มขึ้น (รายละเอียดอ่านตอนประวัติศาสตร์มันฝรั่ง) ไม่เคยลดน้อยลงไป 

หลังจากปี ค.ศ. 1500-1700 ความตื่นเต้นของการนำพืชอาหารใหม่มาปลูกเพื่อเพิ่มปริมาณอาหารของมนุษย์ เช่น มันฝรั่ง ข้าวโพด เริ่มหมดไป หลังจากยุคนั้น พืชอาหารทุกชนิดที่มนุษย์ทุกทวีปรู้จักได้ถูกนำมามาใช้เพื่อการเพาะปลูกหมดแล้ว การจะเพิ่มปริมาณการผลิตอาหารจึงทำได้เพียง 2 ทางคือ ทางแรก เพิ่มพื้นที่เพาะปลูก ซึ่งแน่นอนว่ามีจำกัด (โดยเฉพาะในยุโรป) และทางที่สอง คือ การเพิ่มผลผลิตของพืชอาหารต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่

ความสนใจในการเพิ่มผลผลิตอาหารจึงแจ่มชัดในช่วงเวลาดังกล่าว แต่ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ของมนุษย์ในยุคนั้นยังจำกัดอยู่ ทำให้มนุษย์ต้องใช้เวลาและความพากเพียรนับเป็นศตวรรษในการหาและไขกุญแจในการเพิ่มผลผลิตอาหาร เพื่อรองรับกับประชากรที่มากขึ้น

และกุญแจดอกแรกที่ไขปัญหาให้กับมนุษย์คือ ปุ๋ยไนโตรเจน

ทำความรู้จักกับปุ๋ยไนโตรเจน

ไนโตรเจนเป็นธาตุอาหารที่สำคัญสำหรับเนื้อเยื่อพืชและสัตว์ทุกชนิด ไนโตรเจนคือสารอาหารที่ทำให้พืชเติบโต และเป็นองค์ประกอบสำคัญของโปรตีนพืช หากพืชได้รับปริมาณสารอาหารที่ไม่เพียงพอ ซึ่งก็คือ ไนโตรเจน การเติบโตของพืชจะถูกจำกัด นอกจากนี้ ไนโตรเจนยังมีบทบาทสำคัญในกระบวนการเมตาบอลิซึมของพืชและสัตว์อีกด้วย 

มนุษย์เองจำเป็นต้องใช้กรดอะมิโนสิบชนิด เพื่อสังเคราะห์โปรตีนที่ร่างกายต้องการ ซึ่งกรดอะมิโนสิบชนิดนี้ก็สร้างขึ้นจากอะตอมของไนโตรเจน ที่อยู่ในพืชผลการเกษตรและการเลี้ยงสัตว์นั่นเอง และหากเราได้รับกรดอะมิโนเหล่านี้ไม่เพียงพอ การเติบโตและการทำงานต่างๆ ของร่างกายเราย่อมได้รับผลกระทบกระเทือน

ดังนั้น อาจกล่าวได้ว่า ถ้าเราจะเพิ่มประชากรของมนุษย์ (ในช่วงเวลานั้น) เราก็จำเป็นต้องเพิ่มปริมาณอาหาร (ซึ่งก็คือมวลของพืชแลสัตว์ที่เรากินได้) และเราก็จำเป็นต้องเพิ่มปริมาณ “ไนโตรเจน” สำหรับพืช (และสัตว์) เพื่อให้มันพร้อมที่จะเป็นอาหารของมนุษย์ต่อไป แต่ไม่ใช่เรื่องง่ายเลยที่มนุษย์ในยุคนั้น จะทำความเข้าใจและรู้จักกับไนโตรเจน อย่างเช่นที่เราเรียนรู้กันในวันนี้

ใน ปี ค.ศ. 1836 ฌอง แบ๊บติสต์ โบซิงกอลต์ (Jean-Babtiste Boussingault) นักเคมีชาวฝรั่งเศส ได้ศึกษาปริมาณไนโตรเจนในสารต่างๆ หลายชนิด ที่สามารถนำมาใช้ในการเกษตรได้ เช่น ปุ๋ยคอก เลือดแห้ง กระดูก และของเสียจากปลา แล้วพบว่า ประสิทธิภาพของปุ๋ยรูปแบบต่างๆ นั้นเกี่ยวข้องกับปริมาณไนโตรเจนทั้งสิ้น ซึ่งนับเป็นจุดเริ่มต้นที่นำไปสู่การผลิตปุ๋ยไนโตรเจน แต่นักวิทยาศาสตร์ในเวลานั้นยังไม่ทราบว่า พืชนำไนโตรเจนไปใช้อย่างไร? และไนโตรเจนที่มีอยู่มากมายในอากาศ (ร้อยละ 78 ของบรรยากาศคือไนโตรเจน) มาอยู่ในสารเหล่านี้ได้อย่างไร?

ต่อมาในปี ค.ศ. 1886 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันสองคน ชื่อ เฮอร์มานน์ เฮลรีเกล (Hernmann Hellriegel) และเฮอร์มานน์ วิลฟาร์ธ (Hermann Willfarth) ก็ได้ค้นพบว่า การตรึงไนโตรเจนไว้ในดิน เกิดขึ้นโดยจุลินทรีย์ในดิน ซึ่งจุลินทรีย์ในดินที่ว่านี้คือ ไรโซเบียม ซึ่งจะอยู่ตามปมหรือข้อต่อของรากถั่ว และถั่วกับจุลินทรีย์ไรโซเบียมจะมีความสัมพันธ์แบบพึ่งพาอาศัยกัน 

pastedGraphic.png

ภาพปมรากถั่ว ซึ่งเป็นความสัมพันธ์แบบพึ่งพาระหว่างจุลินทรีย์ไรโซเบียมกับพืชตระกูลถั่ว ภาพจาก https://organicsoiltechnology.com/wp-content/uploads/rhizobium-nodules.jpg

การศึกษาดังกล่าวจึงนับเป็นครั้งแรกที่มนุษย์เข้าใจว่า ไนโตรเจนที่มีมากมายในอากาศ เข้ามาสู่วงจรอาหารได้อย่างไร หลังจากนั้น นักวิทยาศาสตร์ก็ค้นพบจุลินทรีย์ที่ตรึงไนโตรเจนอยู่อาศัยแบบพึ่งพากับเฟิร์นน้ำจืด ซึ่งเป็นตัวสร้างไนโตรเจนสำหรับนาข้าวในเอเชีย และเป็นคำตอบว่า ทำไมปู่ย่าตายายของเราจึงสามารถปลูกข้าวได้โดยไม่ใช้ปุ๋ยเคมี

จริงๆ แล้ว เทคนิคการปลูกถั่วอยู่ใกล้ๆ กับข้าวสาลีหรือข้าวบาร์เลย์นั้นมีการทำมาเป็นพันๆ ปี แล้ว ในตะวันออกกลาง เช่นเดียวกับการปลูกถั่วร่วมกับหรือสลับกับข้าวเจ้าในจีนและในอินเดีย แม้ว่า ในอดีต บรรพบุรุษของเราจะไม่ทราบว่ากลไกของมันเป็นอย่างไร แต่บรรพบุรุษของเราเช่น เธโอฟราตุส (Theophrastus) นักปราชญ์ชาวกรีก ก็มีข้อสรุปไว้ประมาณ 2,300 ปีก่อนว่า

ถั่วนั้นเหมาะสมที่สุดสำหรับเติมพลังให้ผืนดินอีกครั้งหนึ่ง

การแสวงหาไนโตรเจนธรรมชาติ

เมื่อโลกเข้าสู่ยุคของการเพิ่มจำนวนประชากรและการขยายกำลังการผลิตทางการเกษตร ความต้องการไนโตรเจนธรรมชาติจึงเพิ่มมากขึ้น ปุ๋ยไนโตรเจนธรรมชาติตัวแรกที่มีการค้าระหว่างประเทศกันก็คือ มูลนกตากแห้งจากเกาะเขตร้อน ทางทวีปอเมริกา หรือที่เรียกว่า กวาโน (Guano) โดยในระหว่างทศวรรษ ค.ศ. 1850 มีการส่งกวาโนไปอังกฤษถึง 200,000 ตัน/ปี จากที่ไม่เคยมีการนำเข้าเลย และมีการส่งไปสหรัฐอเมริกาเฉลี่ยปีละ 76,000 ตัน และมีการเร่งหากวาโนตามแหล่งต่างๆ กันยกใหญ่ ก่อนที่กวาโนจะเริ่มขาดแคลนในปี ค.ศ. 1870 

จากนั้น ประเทศที่นำเข้าปุ๋ยไนโตรเจนธรรมชาติก็ไปเร่งหาไนโตรเจนจากแหล่งอื่นแทน จนพบแหล่งโซเดียมไนเตรทที่ใหญ่มากในชิลี และมีการส่งออกกันอย่างคึกคัก จนในปี ค.ศ. 1879 ก็เกิดสงครามแย่งชิงทะเลทรายอะตาคามา ระหว่างชิลี โบลิเวีย และเปรู เพื่อแย่งชิงแหล่งโซเดียมไนเตรท สงครามจบลงในปี ค.ศ. 1883 ด้วยชัยชนะของชิลี และทำให้โบลิเวียกลายเป็นประเทศที่ไม่มีพรมแดนติดกับทะเล ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา

pastedGraphic_1.png

แผนที่บริเวณทะเลทราย Alacama ซึ่งเป็นแหล่งไนเตรทที่อุดมสมบูรณ์จนเกิดการแย่งชิงและสงครามแปวิฟิกระหว่าง ชิลี โบลิเวีย และเปรู สงครามจบลงด้วยชัยชนะของชิลิ ทำให้พรมแดนของประเทศทั้งสามเปลี่ยนไป และโบลิเวียกลายเป็นประเทศที่ไม่มีพรมแดนติดต่อกับทะเล ภาพจากhttps://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d2/Map_of_the_War_of_the_Pacific.en2.svg/300px-Map_of_the_War_of_the_Pacific.en2.svg.png

ต่อมาในปี ค.ศ. 1903 เริ่มมีการคาดการณ์ว่า ปริมาณโซเดียมไนเตรทจะหมดไปในอีก 35 ปีข้างหน้า (ซึ่งจริงๆ แล้วเป็นการคาดการณ์ที่ผิด) นอกจากนั้น โซเดียมไนเตรทยังสามารถนำมาใช้ในการทำวัตถุระเบิดในการสงครามหรือเรียกว่าเป็น “ยุทธปัจจัย” ด้วย ทำให้ประเทศมหาอำนาจในยุคนั้น โดยเฉพาะเยอรมัน ประเทศมหาอำนาจที่มีข้อเสียเปรียบในการขนส่งทางทะเล เพราะอยู่ในยุโรปตอนในและอาจถูกปิดล้อมได้ จึงเร่งค้นหาวิธีการสังเคราะห์ไนโตรเจนจากแหล่งอื่นๆ แทน

มุ่งสู่ไนโตรเจนสังเคราะห์

ต่อมาในปี ค.ศ. 1909 นักเคมีชาวเยอรมันชื่อ ฟริตซ์ ฮาร์เบอร์ (Fritz Haber) และผู้ช่วยของเขาชื่อ โรเบิร์ต เลอ รอสซิญอล (Robert Le Rossignol) ก็สามารถประสบความสำเร็จในการผลิตแอมโมเนีย จากการทำปฏิกิริยาระหว่างไนโตรเจนและไฮโดรเจน จนได้แอมโมเนียที่มีปริมาณที่มากพอในเชิงการค้า โดยในการทดลองดังกล่าว ได้มีทีมงานของบริษัท BASF ซึ่งเป็นผู้สนับสนุนทุนวิจัยร่วมอยู่ด้วย

pastedGraphic_2.png

ฟริตซ์ ฮาร์เบอร์ นักเคมีชาวเยอรมัน ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี จากการค้นพบปฏิกิริยาที่สังเคราะห์แอมโมเนีย ภาพจาก https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1e/Fritz_Haber.png/225px-Fritz_Haber.png

แต่โจทย์ต่อมาสำหรับ BASF ก็คือ จะหาไนโตรเจน และไฮโดรเจน ในปริมาณที่มาก และราคาถูก มาจากแหล่งใด นักเคมีอาวุโสของ BASF ชื่อ คารล์ บอช (Carl Bosch) จึงเริ่มพัฒนาทั้งเครื่องมืออุปกรณ์ และวัตถุดิบสำหรับการผลิตขนาดใหญ่ จนในที่สุดในปี ค.ศ. 1914 โรงงานใหม่ของ BASF ก็สามารถผลิตแอมโมเนียได้ 20 ตัน/วัน (หรือ 7,200 ตัน/ปี) โดยใช้ไนโตรเจนจากอากาศ และใช้ไฮโดรเจนที่สกัดจากถ่านหิน และเรียกวิธีการผลิตนี้ว่า กระบวนการฮาเบอร์-บอช และได้มีการจดสิทธิบัตรกระบวนการนี้ไว้ด้วย