Nitrogenkredsløbet beskriver, hvordan nitrogen, også kaldet kvælstof, cirkulerer mellem atmosfæren, levende organismer, jord og vand. Undervejs skifter nitrogen kemisk form. Det er afgørende, fordi planter og dyr har brug for nitrogen, men ikke kan udnytte alle former direkte.
I videoen tegner og forklarer jeg nitrogenkredsløbet. Vi følger især de fire processer nitrogenfiksering, ammonifikation, nitrifikation og denitrifikation og ser, hvordan de hænger sammen med landbrug og vandmiljø.
Hvorfor har planter og dyr brug for nitrogen?
Nitrogen indgår blandt andet i aminosyrer, der er byggesten i proteiner, og i DNA. Planter bruger derfor nitrogen til at danne nyt væv, og dyr får nitrogen ved at spise planter eller andre dyr. Stoffet føres videre gennem fødekæderne.
Atmosfæren indeholder meget N₂, men de fleste organismer kan ikke bruge denne gas direkte. Planter optager normalt især nitrogen som ammonium, NH₄⁺, og nitrat, NO₃⁻. Derfor er mikroorganismernes omdannelser centrale for kredsløbet.
1. Nitrogenfiksering: fra N₂ til biologisk tilgængeligt nitrogen
Ved biologisk nitrogenfiksering omdanner bestemte mikroorganismer N₂ til ammoniak, NH₃, som i jordens vand i høj grad findes som ammonium, NH₄⁺. Nogle lever frit, mens andre lever i symbiose med planter. Symbiose betyder et tæt samliv mellem forskellige arter; her har begge parter fordel af samarbejdet.
Rodknoldbakterier hos bælgplanter som kløver og ærter er et eksempel. Bakterierne fikserer N₂, og planten leverer blandt andet energirige stoffer fra fotosyntesen. Det er altså bakterierne, der kan udnytte luftens N₂, ikke planterødderne alene.
2. Ammonifikation: fra organisk nitrogen til ammonium
Når organismer dør eller udskiller nitrogenholdige stoffer, omsætter nedbrydere materialet. Ved ammonifikation frigives nitrogen fra organiske forbindelser som ammoniak/ammonium. Processen er en del af mineraliseringen, hvor næringsstoffer frigives fra organisk materiale til uorganiske former.
Noget af ammoniummet kan optages af planter og mikroorganismer. Noget kan omdannes videre gennem nitrifikation. Kredsløbet er derfor et netværk med flere mulige veje, ikke en bane, hvor alle nitrogenatomer altid følger samme rækkefølge.
3. Nitrifikation: ammonium → nitrit → nitrat
Nitrifikation er en iltkrævende omdannelse, hvor mikroorganismer først oxiderer ammoniak/ammonium til nitrit, NO₂⁻, og derefter nitrit til nitrat, NO₃⁻. Oxidation betyder her, at elektroner afgives. Mikroorganismerne kan udnytte energi fra reaktionerne.
Nitrit og nitrat er ikke samme stof: Nitrit har to oxygenatomer, mens nitrat har tre. Nitrat kan optages af planter og indbygges i organiske stoffer. Nitrat opløses også let i vand og kan bevæge sig med vandet gennem jordlagene.
4. Denitrifikation: nitrat tilbage til atmosfæren
Ved denitrifikation omdanner mikroorganismer nitrat gennem flere trin til gasformigt nitrogen, blandt andet N₂. Processen foregår typisk, hvor der er meget lidt eller ingen fri ilt, og passende andre betingelser, fx adgang til nedbrydeligt organisk materiale. Mikroorganismerne bruger nitrat i stedet for ilt som elektronacceptor i deres energiomsætning.
Denitrifikation kan fx foregå i våde jordlag, sedimenter og bestemte vådområder. Processen kan mindske den mængde nitrat, der transporteres videre til vandmiljøet. Det kræver dog, at vandet faktisk passerer et område, hvor betingelserne er til stede. Nitrifikation og denitrifikation er forskellige biologiske processer, ikke blot samme reaktion kørt baglæns.
Landbrug, udvaskning og iltsvind
Gødning tilfører nitrogen, som afgrøder kan bruge til vækst. Hvis tilførslen og frigivelsen fra jorden overstiger planternes optag, kan nitrat blive udvasket. Hvor meget der føres videre, afhænger blandt andet af jord, nedbør, plantedække og omsætning i undergrunden. Se vandets kredsløb.
Ekstra nitrogen kan sammen med andre næringsstoffer øge algevæksten i vandmiljøet. Når meget organisk materiale efterfølgende nedbrydes, forbruges ilt. Det kan bidrage til eutrofiering og iltsvind. Forbindelsen går altså gennem vækst og nedbrydning, ikke ved at nitrat alene “fjerner al ilten”.
Tegn nitrogenkredsløbet og forklar pilene
Tegn atmosfærens N₂, planter, dyr, dødt materiale og jordens NH₄⁺, NO₂⁻ og NO₃⁻. Skriv de fire procesnavne på pilene. Forklar derefter forskellen på nitrifikation og denitrifikation: Hvilke stoffer indgår, og hvilken betydning har ilt? Overvej til sidst, hvorfor bælgplanter kan bidrage med nitrogen til et sædskifte.
