kvælstofkredsløb

Når dyr og planter bliver spist eller rådner bort, omsættes det organisk bundne kvælstof til uorganisk kvælstof gennem en række nedbrydningstrin. Processen kaldes mineralisering. Mange organismer (fx snegle, orme, insekter og bakterier) deltager i processen, og i sidste ende bliver kvælstof frigivet som ammonium (NH₄⁺). Denne del af kvælstofomsætningen betegnes ammonifikation. De større organismer, fx orme, findeler materialet. Det giver mange små partikler og dermed mange flere overflader, som bakterierne kan udnytte. Først da sker der for alvor en frigivelse af ammonium. Planter kan kun optage uorganisk kvælstof og er derfor afhængige af, at mineraliseringen leverer det nødvendige uorganiske kvælstof.

Det ammonium, der dannes ved kvælstofmineraliseringen, kan en bestemt bakteriegruppe udnytte i deres stofskifte. Det er de nitrificerende bakterier. De ilter ammonium til nitrit (NO₂^-) og nitrit videre til nitrat (NO₃^-) ved en proces, der kaldes nitrifikation. Det sker kun, hvor der er ilt til stede. Bakterierne får energi ud af denne specielle respirationsproces og udnytter energien til at fiksere kuldioxid; dvs. de producerer organisk stof ved kemosyntese og hører til gruppen af kemolithoautotrofe bakterier.

Planterne optager både ammonium og nitrat. Det kaldes assimilering. Når de har optaget det uorganiske kvælstof, opbygger de organiske kvælstofforbindelser i plantevævet. Hvis planterne optager nitrat, må de først reducere det til ammonium, før de kan bruge kvælstoffet som byggesten. Det sker inde i plantecellerne og koster planten energi. Det er derfor energimæssigt "billigere" for dem at optage ammonium.

I jord binder de positivt ladede ammoniumioner sig til de negativt ladede jordpartikler og vaskes derfor normalt ikke ud af de øvre jordlag. Nitrat er derimod letopløseligt og findes i jordvandet som negativt ladede ioner, der frastødes af jordpartiklerne. Nitrat følger derfor i stor udstrækning med vandet på dets vandring mod grundvandet eller til vandløb og søer. Der er ofte en stor immobil pulje af ammonium i jorden, og nitrifikationen gør denne pulje mobil ved at omdanne den til nitrat.

Produktionen af nitrat ved nitrifikation er også en nødvendig forudsætning for en bakteriegruppe, der omdanner nitrat til kvælstofgas. Processen kaldes denitrifikation. Det er en bakteriel respirationsproces, der omfatter en række reduktionstrin. Bakterierne udnytter nitrat som iltningsmiddel, når de ernærer sig af organisk stof. De ånder så at sige med nitrat. Processen finder sted i områder, hvor der ikke er nogen ilt, fx i iltfrie partikler i jorden, i den våde jordbund samt i bunden af søer og have. Slutproduktet ved denitrifikationen er især kvælstofgas (N₂), der frigives til atmosfæren. Et andet slutprodukt er lattergas (N₂O), der både er en drivhusgas ligesom kuldioxid og har en nedbrydende effekt på det beskyttende ozonlag i atmosfæren. Da denitrifikationen fjerner kvælstof, som planterne kan udnytte, og omdanner det til den inaktive kvælstofgas, har processen stor økologisk betydning.

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.

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.

Brugen af kunstgødning er vokset eksplosivt siden 2. Verdenskrig. Det har øget fødevareproduktionen drastisk (se også den grønne revolution). Men en betydelig del af de afgrøder, der produceres takket være de store mængder kvælstofgødning, går videre som foder i den animalske produktion. Det giver et stort spild af kvælstof i forhold til den kvælstofmængde, der er nødvendig for at producere føde nok til Jordens befolkning. For hvert kg kvælstof, der er bundet i vegetabilske produkter, er der i gennemsnit brugt 3 kg kvælstofgødning. Tilsvarende bliver der brugt ca. 14 kg og 21 kg kvælstof til at producere 1 kg kvælstof i hhv. mælke- og kødprodukter. Fratrækker man det kvælstof, der er i fødevarerne, er kvælstofforbruget ved den animalske produktion ca. ti gange større end ved den vegetabilske produktion.

I dag udgør kunstgødningen ca. 30% af den samlede globale kvælstoftilførsel til jorden. Betragter man alle kulturplanter i verden samlet, kan man beregne, at ca. 40% af deres kvælstofoptagelse stammer fra kunstgødningen. Det betyder, at ca. en tredjedel af alle proteiner i menneskets kost beror på den industrielt fremstillede kunstgødning. Det store forbrug har haft nogle dramatiske konsekvenser for hele kvælstofkredsløbet, og kvælstoftabet ved fødevareproduktionen har bl.a. i Danmark givet en række problemer, fx eutrofiering. Først og fremmest er udvaskningen af nitrat fra landjorden steget kraftigt (se landbrug (forurening)). I dag har grundvandet flere steder høje nitratkoncentrationer, der overskrider grænseværdien på 50 mg nitrat pr. liter. Det gør grundvandet uegnet som drikkevand. I Danmark er problemet størst i Vestjylland og i andre sandede dele af landet. Her sker udvaskningen af nitrat hurtigst, da transporten af vand er hurtigst i de sandede jorde. Udvaskningen fra de dyrkede marker har også medført, at der kommer mere kvælstof til vandløb, fjorde og de indre danske farvande. I marine områder er kvælstof det vigtigste begrænsende næringsstof (se begrænsende faktor), og den øgede tilledning har ført til en større produktion af planktonalger. Der skal ilt til at nedbryde de mange alger, og i sommerperioder med varmt og stille vejr har den øgede algeproduktion derfor været medvirkende til omfattende iltsvind i de danske farvande fra 1980'erne.

Forskydningen i balancen betyder også, at atmosfæren nu modtager langt mere kvælstof fra den intensiverede landbrugsdrift og de mange forbrændingsprocesser inden for industri og transport. En stor del af dette kvælstof vender tilbage til jorden enten som støvpartikler eller med regnvandet (deponering). Landbrugsdriften er specielt ansvarlig for udslippet af ammoniakforbindelser til atmosfæren. Øgningen af den animalske produktion har givet mange flere affaldsprodukter (gylle), og håndteringen af gyllen giver en kraftig ammoniakfordampning, bl.a. når den spredes på markerne. Industrien, kraft- og varmeproduktionen samt den stærkt forøgede trafik giver deres bidrag til atmosfæren i form af kvælstofilter (NO, NO₂).

I atmosfæren undergår ammoniak og kvælstofilter en række kemiske omdannelser med andre stoffer. Meget forenklet bliver ammoniak omdannet til ammoniumpartikler, mens kvælstofilterne ender som nitratpartikler. Ammoniak omsættes hurtigt i atmosfæren og føres også hurtigt tilbage til landjorden igen. Det betyder, at nedfaldet er størst tæt ved ammoniakkilderne. Nedfaldet af ammoniakforbindelser til dansk jord og danske farvande stammer altså overvejende fra danske kilder, og vi kan derfor selv reducere nedfaldet, bl.a. ved at håndtere gyllen mere fornuftigt. Kvælstofilterne omsættes og deponeres derimod langsommere, hvilket giver en ganske betydelig atmosfærisk transport af kvælstofilter landene imellem. Det er derfor nødvendigt med en fælles international indsats for at nedsætte deponeringen af kvælstofilter til land.

Via kilderne fra land modtager de danske farvande nu hvert år mellem 800 og 1500 kg kvælstof pr. km² (8-15 kg pr. ha) fra atmosfæren. Men nedfaldet fra atmosfæren er ikke alene med til at forurene vore kystområder. Også landområder, fx heder og højmoser, tager skade af for meget kvælstof. Over land kan nedfaldet være så stort som 2000 kg kvælstof pr. km² (20 kg pr. ha).

For at rette op på det globale og nationale kvælstofkredsløb og samtidig opretholde en tilfredsstillende proteinproduktion må spildet af kvælstof mindskes, og den naturlige kvælstoffjernelse øges. Udslippet af kvælstofilter kan reduceres ved energi- og trafikbesparende foranstaltninger og ved at bruge filtre i forbindelse med forbrændingsprocesser.

Kvælstof, der ender i spildevandet, kan fjernes på moderne rensningsanlæg. Man kombinerer nitrifikations- og denitrifikationsprocesserne og bundfælder slammet; på den måde kan op til 90% af kvælstoffet fra spildevandet fjernes. Ved at skabe flere vådområder, fx våde enge, slyngede vandløb og søer, kan de samme processer foregå naturligt og øge fjernelsen af det udvaskede kvælstof.

En radikal ændring af kvælstofbalancen kræver imidlertid en effektiv ændring i fødevareproduktionen. Landbruget kan reducere spildet ved at udnytte husdyrgødningen bedre og bruge mindre mængder kunstgødning. Men på længere sigt vil en ændring af forbrugsmønsteret, hvor den vegetabilske produktion bliver fremmet på bekostning af den animalske produktion, måske være et nødvendigt skridt mod et mere balanceret kvælstofkredsløb.