Humus og jordens kvælstof - og kulstof kredsløb

Flaskehalsen for kvælstofdannelse udvides ved tilbageførslen af karbon til jorden


Nitrogenfiksering

De fuldstændig livsnødvendige nitrogenfikserende bakterier anvender hydrogen og energi til at fiksere luftens nitrogen til ammoniak eller ammoniumioner. 


N2 + H2  -> NH3 eller NH4+


Symbiosen mellem jord, plante og dyr

Betydningen af det faktum, at alt liv består af protein (aminosyrer), og dermed kvælstof, er et grundelement i afdækningen og forståelsen af kvælstofkredsløbet. Jordens liv i sig selv fremviser en forbløffende evne til at gøre mere kvælstof tilgængelig for sig selv. Livet som helhed synes altså at skabe sig en positiv spiral af mere og mere liv og mere og mere tilgængeligt kvælstof. En stigende mængde tilgængelig kvæstof er resultaten af en symbiose imellem dyr, plante og jord, hvor deres indbyrdes rolle øger mængden af kvælstof, der er tilgængelig.


Symbiosen bliver tydeligere når man kigger på kulstof og kvælstof kredsløbet samtidigt. Planten er afhængig af kvælstof, som den modtager fra jordens bakterier igennem kvælstoffiksering. Bakterierne er afhængige af energi og hydrogen, som de får fra planternes fotosyntese igennem den mængde organisk materiale, der falder tilbage i jorden, når planten forgår.


Ved tilstedeværelsen af planteædere så øges hastigheden hvormed plantens kulstof føres tilbage i jorden, idet dyret spiser planten, fordøjer maden, tager noget af energien, men efterlader resterne til jorden i form af afføring. Her er det organiske delvist omsat, og processen er dermed accelereret ved enzymerne og bakteriernes aktivitet i dyrets mave, hvormed hastigheden og mængden som jorden modtager, omsætter og optager kulstoffet og dens energi, øges. At afdække denne spirals virkende mekanismer og udnytte dem til at gøre mere kvælstof tilgængeligt vil medføre, at man istedet for at arbejde imod naturens regler, så arbejder man sammen med naturens regler. 


Det er mængden og hastigheden, hvormed organisk materiale føres tilbage i jorden, som er bestemmende for, hvor meget humus, og kvælstof, jorden kan levere. 


Fra Gyldendals leksikon kan man finde en ganske god beskrivelse af kvælstofkredsløbet. 


"Knap 80% af atmosfæren består af kvælstofgas. Den enorme kvælstofmængde i atmosfæren betyder, at Jordens samlede kvælstofpulje er uudtømmelig. Det er imidlertid kun de kvælstoffikserende bakterier, der direkte er i stand til at udnytte dette kvælstof. De omdanner kvælstofgas til ammoniak (NH3) og indbygger det i organiske kvælstofforbindelser. Det kalder man kvælstof- eller nitrogenfiksering. På landjorden er det bakterier, der lever i symbiose med planter, som er hovedansvarlige for kvælstoffikseringen. I vand kan cyanobakterier selv fiksere kvælstof uden at leve i symbiose med andre. Processen kræver iltfrie forhold. Derfor har kvælstoffikserende organismer ofte specielle vævsdele, der lukker ilt ude. Hos ærteblomster (kløver, ærter, lupin) og hos træarten rødel lever de kvælstoffikserende bakterier i specielle knolde på rødderne, bakterieknolde, hvor de er beskyttet mod ilt. Rodknoldene indeholder leghæmoglobin, der ligesom hæmoglobinen i blod kan binde ilt. Bakterierne får den nødvendige energi fra planterne i form af kulstofforbindelser, mens planten til gengæld modtager brugbart kvælstof fra bakterierne. For at gøre afgrøder selvforsynende med kvælstof har forskere (forgæves) forsøgt at overføre kvælstoffikserende bakterier til kornsorter." Citat slut. 


Som man kan læse, så modtager de kvælstoffikserende bakterier hos ærteblomster beskyttelse og energi fra planten. Rodknoldene sænker iltprocenten, som er et nødvendigt forhold for bakterien og dens nitrogenfiksering, mens planten leverer kulstof, hydrogen og energi til bakterierne. Årsagen til den nødvendige reducering af iltindholdet, den beskyttelse som plantens knold leverer, skal formentlig findes i konkurrencen med andre bakterier, som ved et forhold af højere iltindhold, udkonkurrerer den nitrogenfikserende bakterie. 


Humus i jorden fungerer som på samme måde som bælgplantens knolde. Den reducerer iltindholdet nok til, at den nitrogenfikserende bakterie kan leve, men holder jorden porøs nok til, at der stadig er ilttilgang. Humusstrukturen sørger altså for de rigtige iltforhold er tilstede, imens bakteriene udnytter energien samt hydrogenen fra tilført organisk materiale til at fiksere luftens nitrogen. Det er altså kombinationen af kvælstoffikserende bakteier og tilstedeværelsen af humus, som er interessant.



"Fikseringen af kvælstof fra atmosfæren er en flaskehals i kvælstofkredsløbet. Det forklarer, hvorfor der i næsten alle økosystemer er en konkurrence om kvælstof, selvom der er så uhyre mængder i atmosfæren. Flaskehalsen blev kraftigt udvidet i begyndelsen af 1900-t., da man industrielt blev i stand til at binde atmosfærens kvælstof gennem den såkaldte Haber-Bosch-metode. Ved processen binder man under et stort energiforbrug kvælstofgas til brint, og produktet er kvælstofkunstgødning, bl.a. flydende ammoniak."


Det er denne kvælstofflaskehals som udvides med humus i jorden. Når dyrene har spist biomassen, fotosyntesen har skabt, og fordøjet det, så har det gennemgået en nedbrydning ved enzymerne og bakteriernes aktivitet i dyrets mave og tarmkanaler. Dets afføring indeholder derfor delvist nedbrudt organisk materiale, hvor der er masser af energi tilbage. Enerigudnyttelsen hos de fleste dyr ligger på omkring 70%. De resterende 30% af energien går tilbage i naturen, og jorden, delvist nedbrudt, og i højere grad tilgængelig for andre dyr og insekter. Energien når til sidst jordens mikroliv og de fritlevende kvælstoffikserende bakterier, som anvender energien til at fiksere luftens nitrogen til ammonium. I naturens eget kredsløb er planteæderne derfor med til at accelerere mængden af kvælstof, der fikseres af bakterierne, ved den energi som de hurtigt og effektivt fører tilbage i jorden.