Kvælstofkredsløbet – forklaring og betydning for økosystemer

Få en klar forklaring på kvælstofkredsløbet, kvælstoffiksering, nitrifikation og hvorfor kvælstof er afgørende for planter, vandkvalitet og økosystemers balance.

Kvælstofkredsløbet er den måde, hvorpå kvælstof i naturen omdannes mellem forskellige kemiske former, som levende organismer kan bruge eller udskille. Kvælstof er afgørende for livet: det indgår i proteiner, DNA og RNA, og i planter er det nødvendigt for fotosyntese og vækst. Samtidig kan de fleste organismer ikke bruge luftens elementære kvælstof (N2) direkte, så naturen har udviklet processer, der omdanner N2 til biologisk tilgængelige former.

Hvordan kvælstofkredsløbet fungerer – hovedprocesser

Luft består af ca. 78 % nitrogen i form af dinitrogen (N2). For at gøre dette kvælstof tilgængeligt for planter og dyr kræves flere centrale processer:

Kvælstoffiksering

Kvælstoffiksering er omdannelsen af atmosfærisk N2 til ammoniak (NH3) eller ammonium (NH4⁺), så kvælstof kan indgå i organiske forbindelser. Det meste fiksering foretages af mikroorganismer, der kaldes bakterier (og nogle archaea). Eksempler er frie levende bakterier som Azotobacter og symbiotiske bakterier i planters rødder, især hos bælgfrugter, hvor bakterier som Rhizobium danner knolde på rødderne. I disse knolde omdanner enzymet nitrogenase atmosfærisk N2 sammen med brintgas (_H2) til ammoniak (NH3). Plantens rødder leverer kulhydrater til bakterierne i symbiosen, som gengæld producerer kvælstof til planten.

Ammonificering (mineralisering)

Når levende organismer dør eller udskiller affald, nedbryder nedbrydere — især bakterier og svampe, der nedbryder organisk materiale — nitrogenholdige forbindelser til ammonium (NH4⁺). Denne proces kaldes ammonificering eller mineralisering. Ammonium har en positiv ladning og bindes derfor let til ler og humus i jorden, hvor det kan være tilgængeligt for planter.

Nitrifikation

Nitrifikation er en totrins oxidationsproces udført af særlige bakterier og archaea: først omdannes ammoniak/ammonium til nitrit (NO2^-), især af bakterier som Nitrosomonas; derefter oxideres nitrit til nitrat (NO3^-) af bakterier som Nitrobacter. Begge former for nitrit og nitrat bærer en negativ ladning, så de binder sig ikke godt til jordpartikler og kan let blive skyllet ud af jorden ved regn og vanding. Derfor kan nitrifikation føre til tab af kvælstof fra landbrugsjord gennem udvaskning.

Denitrifikation og tab af kvælstof

Under iltfattige forhold omdanner nogle bakterier nitrat (NO3^-) tilbage til kvælstof i form af dinitrogen (N2) eller lattergas (N2O). Denne proces kaldes denitrifikation og afslutter kredsløbet ved at frigive kvælstof til atmosfæren. Denitrifikation foregår ofte i våde jorde og i sedimenter, hvor ilt er begrænset.

Assimilation

Planter optager primært nitrogen som ammonium (NH4⁺) og nitrat (NO3^-) gennem deres rødder og omdanner disse til aminosyrer og andre organiske forbindelser. Dyr får deres kvælstof ved at spise planter eller andre dyr. Dermed bevæger kvælstof sig gennem fødekæderne og indgår i biologiske væv.

Andre vigtige forhold og forbindelser

• Ammoniak (NH3) og ammonium (NH4⁺) er tæt forbundne: pH bestemmer forholdet mellem NH3 og NH4⁺ i jord og vand.
• Ud over N2, NH3/NH4⁺, NO2^- og NO3^- dannes også lattergas (N2O), en potent drivhusgas, som er et vigtigt biprodukt fra både nitrifikation og denitrifikation.
• Hastigheden og retningen i kredsløbet påvirkes af temperatur, ilt-tilgængelighed, pH, jordorganisk stof og jordens tekstur.

Betydning for økosystemer og mennesker

Kvælstofkredsløbet er centralt for økosystemers produktivitet, men ubalancer i kredsløbet kan forårsage miljøproblemer:

• Høje nitrat-niveauer i grundvand og drikkevand kan være farlige, især for spædbørn, og kan føre til det såkaldte blå babysyndrom.
• Udvaskning af nitrat til søer og kystområder fører til eutrofiering – overdreven algevækst, iltsvind og tab af fisk og andet vandliv.
• Tabet af kvælstof fra jorde reducerer jordens frugtbarhed og øger behovet for gødning.
• N2O bidrager til klimaforandringer som en kraftig drivhusgas.

Menneskelig påvirkning

Menneskelig aktivitet har forstærket mange led i kvælstofkredsløbet. Industriel fremstilling af gødning (Haber–Bosch-processen), intensiv husdyrproduktion og afbrænding af fossile brændstoffer øger mængden af tilgængeligt biologisk kvælstof i miljøet. Det har betydet større afgrødeudbytter, men også øget risiko for forurening og tab af biodiversitet.

Styring og afbødning

For at mindske skadelige effekter af for stort kvælstofudslip anvendes en række forvaltningsmetoder:

• Precision farming og korrekt dosering af gødning for at matche planters behov og reducere udvaskning.
• Efterafgrøder, vekselbrug og plantning af bælgfrugter for at øge naturlig kvælstoffiksering og mindske behovet for kunstgødning.
• Bufferzoner langs vandløb, vådområder og genopretning af naturlige vådområder, der kan tage nitrogen op og reducere udledning.
• Forbedret rensning af spildevand for at fjerne ammoniak og nitrat før udløb til vandløb og søer.
• Kontrol med luftforurening og reduktion af emissionskilder til NOx fra trafik og industri.

Afsluttende bemærkninger

Kvælstofkredsløbet er komplekst, dynamisk og tæt forbundet med både økosystemers sundhed og menneskers fødevaresystemer. Forståelse af de enkelte processer — kvælstoffiksering, ammonificering, nitrifikation og denitrifikation — samt de menneskelige påvirkninger er afgørende for at forvalte ressourcerne bæredygtigt og beskytte vandmiljø, biodiversitet og klima.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er nitrogencyklusen?

Spørgsmål: Hvor meget af luften består af nitrogen?

Sp: Hvilken rolle spiller kvælstof i levende væsener?

Sp: Hvordan bliver elementært kvælstof anvendeligt til liv?

Spørgsmål: Hvordan får planter deres nødvendige forsyning af kvælstof?

Spørgsmål: Hvilke processer finder sted, når ammoniumniveauet er for højt?

Spørgsmål: Hvordan starter denitrifikation cyklussen forfra igen?

Søg efter bogstav