農業由来のアンモニアのセンシングの進歩

Advances in sensing ammonia from agricultural sources.

• Matías Insausti
• Roger Timmis
• Rob Kinnersley
• Mariana C Rufino

抄録

アンモニアの排出量を削減することは、世界中の環境規制当局にとって最も困難な課題の一つです。大気中のアンモニアの約90％は農業由来のものであるため、これらの排出量を削減するためには農業慣行を改善することが優先課題となっています。空気中のアンモニアは、人間の健康を損なう粒子状物質（PM2.5）の主要な前駆体であり、アンモニアは過剰窒素の原因となり、水の富栄養化や植物生態系の生物多様性の損失を引き起こす可能性があります。農場がより効率的に窒素資源を利用し、無駄なコストをかけずに済むように、アンモニアによる過剰窒素（N）の削減が求められています。アンモニアの排出緩和策の採用を支援するためには、発生源や個々の寄与を特定し、制御の有効性を評価し、排出削減目標に向けた進捗状況を監視し、行動変容のためのインセンティブを開発するための新しいセンサーの開発が必要である。特に、家畜生産や施肥から発生するアンモニアを監視するために、感度が高く、選択性が高く、堅牢で使いやすいセンサーが必要とされています。現在利用可能なセンサーの多くは、設置、校正、メンテナンスに専門家を必要とするため、大面積をモニタリングする場合や高頻度のサンプリングが必要な場合には、スタッフの配置やコストの問題が発生する。本稿では、農業分野における空気中アンモニアのモニタリングの進歩について報告する。各農業活動に適したモニタリング方法を選択することは、適切なアンモニア管理を特定し、実施するための重要なデータを提供することになる。化学抵抗性材料の最近の開発により、室温での電気化学的センシングが可能になり、新しい分光法は10億分の1オーダーの低濃度を測定するのに十分な感度を持つようになった。しかし、これらの新しい方法では、周囲の粉塵やその他の干渉の存在により、選択性と感度が損なわれており、農業モニタリングに適用するのにはまだ適していない。このレビューでは、専門家ではない人が日常的にモニタリングするのに適したセンサーの必要性も含めて、アンモニア測定がどのように行われ、どのように適用されているかを検討しています。レビューでは、アンモニア排出を緩和するための政策や規制にモニタリング情報をどのように利用できるかを評価している。また、アンモニア排出に関する懸念の高まりと農業分野からの特別なニーズにも対応し、最先端の概要と将来の開発の見通しを示しています。

Reducing ammonia emissions is one of the most difficult challenges for environmental regulators around the world. About 90% of ammonia in the atmosphere comes from agricultural sources, so that improving farm practices in order to reduce these emissions is a priority. Airborne ammonia is the key precursor for particulate matter (PM2.5) that impairs human health, and ammonia can contribute to excess nitrogen that causes eutrophication in water and biodiversity loss in plant ecosystems. Reductions in excess nitrogen (N) from ammonia are needed so that farms use N resources more efficiently and avoid unnecessary costs. To support the adoption of ammonia emission mitigation practices, new sensor developments are required to identify sources, individual contributions, to evaluate the effectiveness of controls, to monitor progress towards emission-reduction targets, and to develop incentives for behavioural change. There is specifically a need for sensitive, selective, robust and user-friendly sensors to monitor ammonia from livestock production and fertiliser application. Most currently-available sensors need specialists to set up, calibrate and maintain them, which creates issues with staffing and costs when monitoring large areas or when there is a need for high frequency sampling. This paper reports advances in monitoring airborne ammonia in agricultural areas. Selecting the right method of monitoring for each agricultural activity will provide critical data to identify and implement appropriate ammonia controls. Recent developments in chemo-resistive materials allow electrochemical sensing at room temperature, and new spectroscopic methods are sensitive enough to determine low concentrations in the order of parts per billion. However, these new methods still compromise selectivity and sensitivity due to the presence of ambient dust and other interferences, and are not yet suitable to be applied in agricultural monitoring. This review considers how ammonia measurements are made and applied, including the need for sensors that are suitable for routine monitoring by non-specialists. The review evaluates how monitoring information can be used for policies and regulations to mitigate ammonia emissions. The increasing concerns about ammonia emissions and the particular needs from the agriculture sector are addressed, giving an overview of the state-of-the-art and an outlook on future developments.

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