Pupuk
Sebelum ditemukannya proses Haber, mineral seperti natrium nitrat ditambang untuk dijadikan sumber pupuk nitrogen anorganik. Mineral ini masih ditambang sampai sekarang.
Proses lainnya dalam pembuatan pupuk organik adalah proses Odda yang disebut juga dengan proses nitrofosfat. Bebatuan fosfat dengan kadar fosfor hingga 20% dilarutkan ke asam nitrat untuk menghasilkan asam fosfat dan kalsium nitrat. Bebatuan fosfat juga bisa diproses menjadi mineral P2O5 dengan bantuan asam sulfat. Melalui tungku listrik, mineral fosfat juga bisa direduksi menjadi fosfat murni, namun proses ini sangat mahal.
Kalium secara komersial dapat ditemukan di berbagai tempat mulai dari bebatuan di dalam bumi hingga sedimen di dasar laut. Bebatuan yang mengandung kalium seringkali berada dalam bentuk kalium klorida yang juga ditemukan bersamaan dengan mineral natrium klorida. Bebatuan yang mengandung kalium ditambang dengan bantuan air panas sehingga larut. Larutan ini diuapkan dengan bantuan sinar matahari. Senyawa amina digunakan untuk memisahkan KCl dengan NaCl.
Penggunaan pupuk organik secara komersial telah berkembang dan meningkat hingga 20 kali lipat dibandingkan 50 tahun yang lalu dengan jumlah konsumsi saat ini mencapai 100 juta ton nitrogen anorganik per tahun. Tanpa pupuk anorganik, diperkirakan sepertiga bahan pangan saat ini tidak dapat berproduksi. Penggunaan pupuk fosfat juga meningkat dari 9 juta ton (1960) menjadi 40 juta ton
(2000). Setiap hektare tanaman jagung membutuhkan antara 30 hingga 50 kilogram pupuk fosfat, sedangkan kedelai membutuhkan 20-25 kg. Yara International merupakan produsen pupuk nitrogen anorganik terbesar di dunia.
Pupuk anorganik digunakan di semua jenis tanaman pertanian dengan jumlah pemberian bergantung pada jenis tanaman dan tingkat kesuburan tanah saat ini. Misal tanaman pertanian jenis legum (seperti kedelai) tidak membutuhkan pupk nitrogen anorganik sebanyak tanaman lain karena mampu mengikat nitrogen.
Namun penerapan pupuk anorganik berlebih mampu menyebabkan peningkatan keasaman tanah karena mineral yang tidak dimanfaatkan mampu bereaksi dengan air yang ada di tanah membentuk senyawa asam. Untuk mencegah hal ini, status nutrisi dari tanaman dan tanah perlu dinilai sebelum penerapan pupuk anorganik.
Nutrisi pada pupuk anorganik, terutama nitrat, dapat mencemari lingkungan alam dan mengganggu kehidupan manusia jika terbilas oleh air hujan dan mengalir dari lahan pertanian hingga ke perairan setempat dan air tanah. Jumlah pupuk anorganik yang masuk ke perairan cenderung sulit untuk dihitung dan diperkirakan dampaknya secara kuantitatif.
Pembilasan pupuk nitrogen dari kawasan pertanian mampu mencemari air tanah. Penggunaan amonium nitrat anorganik secara umum bersifat membahayakan air tanah karena tanaman lebih mudah menyerap ion amonium dibandingkan ion nitrat untuk mendapatkan nitrogen, sehingga ion nitrat yang berlebih tersebut akan terbilas dan mencemari air tanah. Kadar nitrat di atas 10 miligram per liter (10 ppm) pada air tanah mampu menyebabkan sindrom bayi biru.
Setiap pupuk anorganik berbahan dasar mineral dapat mengandung zat pengotor berupa fluorida dan logam berat seperti kadimum dan uranium tergantung dari dimana dan bagaimana bahan mineral ditambang. Bahan pengotor tersebut dapat dihilangkan, namun akan meningkatkan biaya prduksi secara signifikan sehingga tidak dilakukan oleh sebagian besar industri pupuk. Senyawa pengotor ini dapat mempengaruhi kualitas tanah hingga meracuni tanaman.
Petani secara tidak sadar menjadi "kecanduan" pupuk anorganik karena penggunaan pupuk anorganik secara jangka panjang mematikan organisme tanah yang bermanfaat sehingga penyediaan nutrisi secara organik tidak akan secepat tanah biasa. Organisme tanah seperti mikoriza, fungi, dan berbagai bakteri mampu menguraikan senyawa organik. Ketidakseimbangan nutrisi tanah akibat pupuk anorganik mematikan sebagian besar organisme tanah dan menyebabkan peningkatan keasaman tanah.
Berbagai pupuk anorganik tidak mengandung unsur hara mikro karena dibuat dalam bentuk murni. Unsur hara mikro ini dapat secara bertahap menghilang dari tanah karena diserap oleh tumbuhan. Hilangnya unsur mikro telah dikaitkan dengan studi turunnya kandungan mineral pada buah dan sayur yang dihasilkan suatu usaha tani. Di Australia, defisiensi seng, tembaga, mangan, besi, dan molibden menjadi pembatas
jumlah hasil pertanian dan peternakan yang dihasilkan pada tahun 1940 sampai 1950an. Sejak kejadian ini, nutrisi hara mikro mulai ditambahkan pada produksi pupuk anorganik.
Berbagai tanah di seluruh dunia yang kekurangan nutrisi seng terkait pula dengan defisiensi seng pada asupan nutrisi manusia yang hidup di sekitarnya.
Pemupukan berlebih dapat berakibat sama buruknya dengan kekurangan nutrisi. Gejala seperti fertilizer burn terjadi karena pupuk diberikan terlalu banyak, sehingga menyebabkan daun mengering hingga menyebabkan kematian tanaman. Tingkat gejala memar terkait dengan indeks kadar garam pada pupuk dan tanah.
Di Amerika Serikat, 317 miliar kaki kubik gas alam dikonsumsi untuk memproduksi amonia setiap tahunnya. Secara keseluruhan di seluruh dunia, konsumsi gas alam untuk produksi amonia diperkirakan mencapai 5% dari total gas alam yang dikonsumsi, yang kurang lebih setara dengan 2% total kebutuhan energi dunia.
Amonia diproduksi dengan memanfaatkan gas alam dalam jumlah besar dengan kebutuhan energi yang tinggi pula untuk meningkatkan tekanan dan temperatur dalam prosesnya. Biaya pembelian gas alam memakan biaya produksi amonia sebesar 90%. Peningkatan harga gas alam tidak terlepas dari peningkatan permintaan komoditas ini untuk memproduksi pupuk sehingga ikut meningkatkan harga pupuk.
Gas rumah kaca (GRK) berupa karbon dioksida, metana, dan nitro oksida ketiganya dihasilkan dari industri pupuk, baik disengaja maupun tidak. Metana dan nitro oksida merupakan senyawa gas rumah kaca yang lebih berbahaya dibandingkan gas karbon dioksida, dan dampak keduanya dapat disetarakan dengan karbon dioksida. Diperkirakan setiap kilogram amonium nitrat yang
dihasilkan, dua kilogram GRK setara karbon dioksia dilepaskan oleh industri. Selain itu, pupuk nitrogen yang sudah terlarut ke dalam tanah mampu dilepaskan oleh bakteri menjadi nitro oksida melalui proses denitrifikasi. Semakin banyak nitrogen di dalam tanah yang tersedia, laju proses denitrifikasi menjadi lebih cepat sesuai dengan kesetimbangan kimia.
Tumbuhan tidak lagi bergantung pada mikoriza dalam pemecahan senyawa organik dan penyerapan nutrisi karena ketersediaan nutrisi lebih banyak didapatkan dari pupuk anorganik. Hubungan simbiosis ini dapat terlepas dan mempengaruhi ekosistem tanah secara keseluruhan.
Pupuk secara umum mengandung senyawa yang mampu mempercepat pertumbuhan tumbuhan. Eutrofikasi adalah gejala peningkatan laju pertumbuhan tumbuhan air. Pupuk yang terbilas aliran air permukaan mampu diserap oleh tumbuhan air dan menyebabkan eutrofikasi. Hal ini membahayakan perairan karena ketika tumbuhan mati, proses dekomposisi oleh bakteri yang terjadi di bawah air mampu
menyebabkan hilangnya oksigen dan menyebabkan kebinasaan ikan dan hewan air lainnya. Dan air mampu berubah menjadi keruh dan berwarna kehijauan (atau merah, coklat, kuning, tergantung jenis alga yang mengalami eutrofikasi di perairan).
Sekitar setengah danau di Amerika Serikat kini bersifat eutrofik dan jumlah kawasan mati (dead zone) meningkat hingga ke pinggir pantai.
Pupuk organik dan anorganik yang kaya nitrogen dapat menyebabkan peningkatan keasaman tanah ketika diberikan. Keasaman tanah yang meningkat mampu mengikat beberapa senyawa nutrisi mikro sehingga menjadi tidak tersedia bagi tumbuhan untuk diserap. Pengapuran tanah dapat menurunkan tingkat keasaman tanah.