Mineralisering, ammonifikation, nitrifikation og denitrifikation - kvælstofkredsløbet

Nedbrydning af organisk stof - mineralisering og jordrespiration

I rodzonen på marker er der 5-10 kvælstof pr. hektar hvoraf hovedparten er bundet i tungtnedbrydelige humusstoffer. Humus er dødt organisk materiale som er så kraftigt nedbrudt, at de oprindelige strukturer ikke kan genkendes. Der sker løbende en mineralisering, dvs. nedbrydning af det organiske stof til CO₂, H₂O og uorganiske mineralforbindelser. Det organisk bundne kvælstof omdannes således til uorganisk kvælstof i form af ammoniak (NH₃).

Processen i kvælstofkredsløbet hvor organisk bundet kvælstof omdannes til NH₃/ NH₄⁺ kaldes ammonifikation. Der er tale om mikrobielle processer hvor en lang række mikroorganismer, svampe og bakterier, gennem deres aktivitet frigør ammonium fra visne blade, døde dyr, mikrobielt væv og humus. Normalt oxideres den ved nedbrydningen dannede ammonium videre til nitrit (NO₂^-) og dernæst nitrat (NO₃^-) af nitrificerende nitrit- og nitratbakterier. Disse processer i kvælstofkredsløbet fra ammonium til nitrit og nitrat kaldes samlet for nitrifikation.

Normalt nedpløjes afgrøderester, stubbe m.m. i landbruget i vinterhalvåret, men denne nedpløjning betyder, at organisk materiale med lavt indhold af kvælstof kan medføre et fald i jordvæskens indhold af nitrat. Nitratet optages af mikroorganismerne som pga. de tilførte rigelige mængder af organisk stof er i kraftig vækst. Der forekommer herved en immobilisering af nitrat, som derfor ikke er til rådighed for planterne.

Undlader landmanden at fjerne halm, afgrøderester, mv. på marken, vil han derfor reducere jordens indhold af nitrationer og dermed nitratudvaskningen til grundvandet. På længere sigt vil nedpløjningen dog medføre et øget indhold af organisk stof og dermed forøge mineraliseringen af den organisk bunde kvælstof i jorden.

Jordvandets indhold af nitrat er i sær højt i oktober/november og i marts, og herfor er der i denne periode risiko for nitratudvaksning hvis der ikke er planter til stede som kan optage nitratet. Der sker nemlig stor nedbrydning af organisk stof i disse måneder, hvor der er meget nedbrydeligt stof til stede og høje jordtemperaturer. Nedbrydningsprocesserne kan nemlig foregå i lav hastighed helt ned til 5 graders celsius. Derfor kan nedbrydningen også foregå i efterårsperioden hvor afgrøderne normalt er fjernet fra marken. Det nitrat der frigøres ved nedbrydningsprocesserne vil let udvaskes fra rodzonen med efterårs- og vinternedbøren, hvorfra det fra rodzonen passerer videre til overflade og grundvand. I vintermånederne er jordtemperaturen i modsætning så lav, at omsætningen af organisk stof går i stå. Men sås der efterafgrøder, netop i de måneder, hvor udvaskningen af nitrat normalt er størst til grundvandet, vil indholdet af nitrat i jordvandet være lavere set i forhold til hvis marken står bar. Efterafgrøden optager nemlig det fra mineraliseringen frigivne nitrat og reducerer derfor udvaskningen af nitrat fra marken.

Den samlede nedbrydning af organisk stof i jorden måles ofte ved den samlede kuldioxidafgivelse fra jordbunden. Størrelsen af jordrespirationen og dermed den hastighed hvormed nedbrydnings- og mineraliseringsprocesserne forløber i jordbunden er afhængig af typen og mængden af organisk stof, temperaturen, vandindholdet iltforholdene og surhedsgraden.

Jordrespirationen er størst i juni/juli hvor temperaturen er højest, men den varierer fra år til år bl.a. pga. forskelle i sommertemperaturer og nedbørsmængden. Bidragydere til den samlede jordrespiration er planterødder, mikroorganismer, regnorme, m.m. Nedbrydningsprocesserne kan forløbe både under aerobe og anaerobe forhold. En del af nedbrydningsbakterierne er fakultativ anaerobe, dvs. de tåler ilt, men skal ikke nødvendigvis have ilt for at eksistere. Generelt er de iltforbrugende nedbrydningsprocesser de mest effektive og den optimale surhedsgrad og temperatur for mikrobiel nedbrydning af organisk stof er normalt ved pH 7 og temperatur 30-35 celsius, når der primært er tale om nedbrydning forårsaget af bakterier, mens svampe fungerer bedre ved lavere pH-værider (4-5).

Nitrifikation

Ammonium dannes (ammonifikation) ved mikrobiel nedbrydning af organisk stof (mineralisering) i jorden og dernæst iltes ammoniumet, hvorefter det nedbrydes til nitrit og til sidst til nitrat. Processen kaldes samlet for nitrifikation. De involverede mikroorganismer er oligat aerobe, dvs. de skal leve i et iltholdigt miljø for at kunne eksistere.

Der er faktisk under nitrifikationen tale om to forskellige processer varetaget af to forskellige bakterier. Først oxideres ammonium til nitrit af bakterier af slægten nitrosomonas, hvorefter nitritten oxideres videre til nitrat af bakterier af slægten nitrobacter. Nitrit- og nitratbakterierne findes altid sammen, hvorfor der under normale omsætndigheder ikke opstår nogen ophobning af nitrit.

Ved nitrifikationen sker der en oxidation af kvælstofforbindelserne. En oxidationsproces behøver, som i disse tilfælde, ikke at have noget med fri ilt at gøre. Ved oxidation forstås afgivelse af elektroner, hvilket fx både sker når nitrit (NO₂^-) omdannes til nitrat (NO₃^-) og når ferrojern omdannes til ferijern. Den modsatte proces, elektronoptagelse, kaldes reduktion.

De nitroficerende bakterier er kemoautotrofe organismer, dvs. organismer som oxiderer uorganiske stoffer for at skaffe sig energi til opbygningen af organiske stoffer. Ved autotrofe organismer forsås generelt organismer som selv er i stand til at opbygge alle deres organiske stoffer ud fra uorganiske stoffer. Kemosyntesen har mange fælles træk med fotosyntesen. I begge processer anvendes energi til opbygning af kulhydrater fra kuldioxid og vand. Men energien til processerne fremskaffes forskelligt. De grønne planter får energien fra sollyset (fotoautrotrofe), mens de kemosyntetiske bakterier får energien fra en kemisk oxidationsproces.

Dentrifikaton

Den dannede nitrat fra nitifikationen kan planterne optage eller der kan forekomme en udvaskning af nitrat fra planters rodzone. Endvidere kan der ske en dentrifikation, hvor nitrat ved en reduktion omdannes til luftformigt N₂ eller N₂O. De dentrificerende organismer er bakterier af slægterne pseudomonas micrococcus og bacillus.

Dentrifitkation kræver anaerobe forhold, men samtidig tilstedeværelse af nitrat og organisk stof. Dentrifikationsprocessen kan betegnes som en anaerob respirationsproces, hvor nitratet bruges som oxidant i fraværd af frit ilt.

Kraftigt dentrifikation foregår især i vandfyldte jorde hvor der er dårlige iltforhold, fx engområder, hvor der er næringsinoner til rådighed for planterne. Mange landmænd dræner deres markområder, da denne dræning vil bevirke bedre iltforhold i jorden og gøre næringsionerne mere tilgængelige for planterne. Men dræningen vil også øge udvaskningen af næringsioner fra rodzonen ud i vandløbene. Lod landmændene engområderne eksistere, ville de ringe iltforhold forårsage en naturlig denitrifikation af kvælstof, så næringsstoffet ikke blev udled til grundvandet. Læs evt. mere om de våde enges betydning. 

Nitratudvaskning fra rodzonen

Næringsstofudvaskningen fra rodzonen hos planter skyldes hovedsageligt jordtype, gødskning, afgrøde, klimatiske forhold.

Nitrationen er ligesom andre negativt ladede ioner sjældent bundet til jordpartiklerne (som ligeledes er negativt ladet), men optræder ude i jordvæsken. Derimod er kationen (positivt ladet ion) ammonium i lighed med fx kalium i stor udstrækning brundet til de negativt ladede jordpartikler. Som tommelfingerregel gælder det, at humus og lerpartikler er negativt ladede, mens sand og siltpartikler er neutralt ladede.

Den mikrobielle oxidation af ammonium til nitrat, nitrifikationen, foregår i alle jorde som ikke er for sure. Da nitrationen ikke bindes til humus/lerpartikler kan den let udvaskes fra rodzonen. Udvaskningen finder særligt sted i oktober-december (selv milde vintre) og februar-maj, dvs. perioder med stor mineralisering af rodmaterialet, stor nedbørsmængde, samt ofte ingen planter på markerne der kan optage de dannede nitrationer. Mængden af nitrationer i jordvæsken kan kun reduceres ved foranstaltninger i efteråret og foråret, da nedbør og jordtype er naturgivne egenskaber. I efteråret og vintermåneder (størst risiko for udvaskning) kan koncentrationen af uorganisk kvælstof i jorden særligt sænkes hvis kvælstoffet optages af efterafgrøder (fx gul sennep) i takt med mineraliseringen.

Rhizobiumbakterier og bælgplanter - en ganske særlig symbiose

Alle planter har brug for næringsstoffer, og for at skaffe sig kvælstof har nogle planter (bælgplanter) udviklet en særegen symbiose med en gruppe jordbakterier kaldet rhizobiumbakterier, der ses som rodknolde på planternes rødder.

Rhizobiumbakterierne har den specielle evne, at de kan fiksere kvælstof fra atmosfærisk luft, der indeholder 73% kvælstof, hvilket planterne ikke selv er i stand til uden bakterierne. Bakterierne indeholder nemlig enzymet nitrogenase, som under iltfrie forhold er i stand til at kunne udføre en såkaldt nitrogenfiksering, dvs. spalte nitrogen fra luften til to kvælstofatomer, der dernæst adskilles så der dannes ammonium. Ammonium er giftigt for bakterierne, så det bruges til at opbygge kvælstofholdige organiske stoffer, bl.a. aminosyrerne asparagin og glutamin, der videregives til vækstplanten. Til gengæld leverer planten kulhydrater til bakterierne, dannet ved plantens fotosynteseproces, som bakterierne skal anvende til egen vækst og formering.

For at få adgang det værdfulde næringsstof, må planten lade bakterien inficere sine rodceller frivilligt. For at gøre dette, udskiller plantens rodspidser stoffer (flavonoider) som netop tiltrækker og genkendes af en særlig art af rhizobiumbakterier. Disse bakterier sætter sig dernæst på rodhårerne og udskiller stoffer som gør rodhårscellernes cellevægge smidige og modtagelige for infektion. Alt imens danner de enkelte rodhårsceller et såkaldt infektionsrør, som består af en udposning af rodhårscellernes membran. Infektionsrøret leder til rodknoldsceller i rodens bark.
Rhizobiumbakterierne har imens delt sig, og bevæger sig nu ind igennem infektionsrøret, hvis membran forhindrer bakterierne i at trænge igennem infektionsrøret.
Efterhånden som bakterierne deler sig og mængden af bakterier således øges, dannes en rodknold på plantens rod. Hver rodknold på plantens rødder omgives af et beskyttende lag af celler, således at rodknoldene beskyttes mod udefrakommende infektioner og skader. For at regulere tilstedeværelsen af ilt i rodknoldene danner rodknoldcellerne stoffet leghæmoglobin der netop binder frit ilt. Dette medvirker derfor, at nitrogenaseenzymerne kan fungerer optimalt under nitrogenfikseringen. Dog leveres der alligevel den fornødne ilt til bakterierne, idet de skal bruge ilt til deres respiration. Bakterierne befinder sig således i små vesikler i plantecellen cytoplasma, hvor de forsynes med kulhydrater fra planten, mens bakterierne modsvarende leverer aminosyrer til rodknoldens celler. Aminosyrerne transporteres til rodens vedkar, hvorfra de fordeles i planten med det vand planten optager. Nitrogenfikseringen sker som nævnt via nitrogenaseenzymer. Nitrogenase består af to enzymer, en reduktase og en egentlig nitrogenase. Reduktasen odtager elektroner fra coenzymet ferredoxin som overfører H+ + e- på en måde der kan sammenlignes med NADH. Reduktasen afleverer e- til nitrogenasen, hvilket koster 2 ATP. Nitrogenase binder N2, som herved reduceres til NH3. For at processen kan forløbe forbruges der to ekstra elektroner, dvs. otte elektroner i alt. Reaktionsligningen er derfor samlet: N2 + 8e- + 8 H+ + 16 ATP + 16 H2O -> 2NH3 + H2 + 16 ADP + 16 P. I den vandige opløsning i bakteriecellerne forekommer NH3 og NH4+. Begge stoffer er giftige og NH4+ bygges derfor hurtigt sammen med alfa-ketoglutarat og danner aminosyren glutamat, dvs. NH4+ + alfa-ketoglutarat + NADPH + H+ -> glutamat + NADP+ + H2O. Alfa-ketoglutarat er et af stofferne i citronsyrecyklussen, og glutamat er udgangspunkt for syntesen af de øvrige aminosyrer i rodknoldene. Nitrogenfikseringen er en temmelig energikrævende proces, og derfor er symbioseforholdet kun en fordel for planten, hvis den begrænses meget af N-mangel. Oftes er nitrogenfikseringen størst når planten sætter frø, hvorfor mange af bælgplanternes frø er meget proteinrige (fx ærter, bønner, jordnødder).

At anvende planter med rodknolde i landbrug har en rigtig gavnlig effekt på afgrøderne. Hvis afgrøderne efterlades eller nedpløjes vil jordens mikroorganismer begynde at nedbryde afgrøderne, og således vil kvælstoffet frigives til jorden i form af ammoniak, hvilket det kommende års afgrøder kan drage stor nytte af. På denne måde kan anvendelsen af kunstgødning reduceres.

Læs evt. videre om symbiosens genetik, hvor symbiosen uddybes og hvor det bl.a. beskrives, at specifikke planters evne til at danne dette symbiotiske forhold med rhizobiumbakterier genetisk har meget tilfælles med det symbiotiske forhold etableret med mykorrhizasvampen. 


Kilder: http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Mikrobiologi/Bakterier_og_mikrobiologi_generelt/Rhizobium

Hvis I ønsker at læsere videre om symbiosen mellem rhizobiumbakterier og bælgplanter: http://www.planteforskning.dk/artikler/plantecellen/symbiose_mellem_baelgplanter_og_rhizobium_bakterier

En win-win situation mellem planter og mikroorganismer!

Næringsstoffer som kvælstof og fosfor er essentielle for planters overlevelse. Men mange næringsstoffer er bundet til svært nedbrydelige organiske forbindelser og humusstoffer, hvilket planter ikke selv kan nedbryde. F.eks. er helt op til 95% af alt kvælstof i jorden ofte bundet i organiske forbindelser, mens kun ca. 5% findes i jorden som løst bundet nitrat og ammonium, som planternes rodceller kan udnytte.
Dog har planter udviklet et symbiotisk forhold med mikroorganismerne omkring rodnettet, da mikroorganismerne nemlig har den evne, at kunne nedbryde disse svært nedbrydelige organiske forbindelser via særlige enzymer og dermed frigøre de næringsstoffer til jordvæsken som planterne søger til vækst. For at lokke mikroorganismerne hen til planternes rodnet og på den måde øge den mikrobielle aktivitet omkring rodnettet, forsyner planterne mikroorganismerne med letomsættelige kulhydrater som mikroorganismerne skal bruge til egen vækst og formering. Der opstår således et symbiotisk forhold mellem planter og mikroorganismer.

Planter udskiller dog ikke en konstant mængde af letomsættelige kulhydrater til jordvæsken hele året, men varierer udskillelsen i løbet af året, for på den måde at variere og tilpasse den mikrobielle aktivitet i forhold til plantens vækst.
Ved at foretage undersøgelser med radioaktivt mærket CO2, er det muligt at bestemme hvor stor en del af kulhydratproduktionen i planter der går til de mange processer i planter i løbet af et år.
Den radioaktive CO2 indbygges via planternes fotosynteseproces i glukosen, der omdannes til sukkerstoffet sucrose for at kunne blive transporteret ud til alle plantes celler og udnyttes. Man kan derfor følge sukkerstoffet rundt i planterne, og se hvad planterne anvender det til.

Undersøgelserne har vist, at det særligt er i starten af en vækstsæson, at planter investerer store dele af deres primære produktion af kulhydrater til at fremme den mikrobielle aktivitet omkring rødderne. Planterne udskiller derfor mange letomsættelige kulhydrater til mikroorganismerne i starten af foråret, hvor planterne har meget brug for, at vigtige næringsstoffer til egen vækst frigøres i jordvæsken og har brug for at danne et godt mikrobielt miljø omkring rodnettet til resten af vækstsæsonen.

Som vækstsæsonen skrider frem, ændrer dette sig dog markant. Når rodnettet er godt udviklet og udbygget og det mikrobielle miljø omkring rødderne er sikret til resten af vækstsæsonen, så kan planterne begynde at reducere udskillelsen af letomsættelige kulhydrater til mikroorganismerne, og i stedet begynde at investere i den overjordiske del af planten. Nu bruges den største del af kulhydratproduktionen hos planterne derfor mest af alt til udvikling og modning af frø.

Senere i vækstsæsonen øges bakterieantallet omkring rodnettet, hvilket trækker protozoer og nematoder til omkring rødderne. Årsagen hertil er, at planterne nu afskærer en del af deres rodnet for at overleve den kommende vinter. Det døde rodnet skaber en ny mikrobiel aktivitet, idet mikroorganismer nu begynder at omsætte det døde rodvæv.

Planter og mikroorganismer er derfor inderligt afhængige af hinanden i løbet af en vækstsæson.