Lystgass, eller N₂O, slippes ut i atmosfæren vår i små mengder sammenliknet med karbondioksid. Likevel er den høyst relevant i klimaperspektiv da den er mer enn 300 ganger mer potent som drivhusgass.

I tillegg er lystgass i dag den viktigste nedbryteren av ozonlaget. Det er jordmikrober som styrer den biologiske omsetningen av lystgass og omdanner det til harmløs nitrogengass, eller N₂.  Når jorda blir sur, som betyr at pH-verdien er lav, klarer de ikke lenger dette i samme grad.

Her ved NMBU har forskere begynt å forstå mekanismene bak og jobber mot å finne løsninger. Da kan bakteriene fortsette å gjøre den farlige lystgassen om til helt ufarlig nitrogengass.

Nitrogenforbindelser er både byggesteiner og energikilder

Alle levende organismer trenger nitrogen. Hvis vi fjerner vannet fra en celle, vil nitrogenet i gjennomsnitt utgjøre rundt 6 prosent av det som blir igjen.

Atmosfæren vår består av nesten 80 prosent nitrogengass, men kun noen ganske få mikroorganismer er i stand til å fange og omdanne den. Først etter det er skjedd kan andre organismer bruke nitrogenet som byggestein eller energikilde.

Mennesket på jord(et)

Vi har dyrket jorden i mangfoldige århundrer og fant tidlig ut at litt ekstra nitrogen stimulerer plantevekst.

I førmoderne tid brukte vi gjødsel som allerede var en del av det globale budsjettet, men tidlig på 1900-tallet begynte vi å lage ammoniakk av nitrogen- og hydrogengass. Dette ble i sin tur brukt blant annet til å produsere kunstgjødsel.

Dermed var ikke lenger nitrogenfikserende bakterier de eneste som kunne fange nitrogenet i atmosfæren.

Som vanlig, viser mennesket lite måtehold. I dag har vi doblet nitrogenbudsjettet på verdensbasis, hovedsakelig gjennom bruk av kunstgjødsel i jordbruket. Dette påvirker i sin tur jorden, både kjemisk og biologisk.

Mikrober driver nitrogensyklusen

Når vi tilfører gjødsel, er det ikke bare planter som vokser med større entusiasme, mikrobene konkurrerer også om å få nyttiggjøre seg ressursene. I hvert gram jord er det yrende liv, i noen tilfeller over en milliard celler! Vanligvis er de fleste av disse såkalte prokaryoter, altså bakterier eller arker.

Disse har et enormt spekter av evner. Blant annet kan de nyttiggjøre seg en lang rekke nitrogenforbindelser på ulike måter og gjennom disse prosessene driver de den globale nitrogensyklusen.

De endrer også sine omgivelser. For eksempel vil såkalte nitrifiserende bakterier omdanne ammonium tilført via gjødsel til nitrat. En direkte konsekvens av dette er at pH i jorden synker, og at jorda blir sur. I tillegg kan nitratet forbrukes av andre mikroorganismer, blant annet i en prosess som kalles denitrifikasjon.  

Energifangst og kilde og sluk for lystgass

Levende organismer har mange ting til felles. Et grunnleggende trekk er behovet for og evnen til å lagre energi i form av ATP. Vi mennesker puster oksygen som i sin tur brukes til å danne energivalutaen ATP i mitokondriene, cellenes kraftverk. Dette kalles respirasjon. Energifangsten skjer ved hjelp av et komplisert nettverk av proteiner, deriblant enzymer som er en slags biologiske mikromaskiner.

En av våre mange akilleshæler er at vi ikke har noen «plan B». Mister vi tilgangen til oksygen, dør vi i løpet av minutter.

I så måte er mange mikroorganismer mer viselig innrettet. De kan gjerne bruke en rekke andre molekyler til respirasjon. Denitrifiserende prokaryoter er eksempler på dette. De foretrekker oksygen, men fortviler ikke om forholdene blir oksygenfrie. Da kan de bygge et sett enzymer som gjør dem i stand til å hente energi gjennom å omdanne nitrat til nitrogengass.

Dette skjer gjennom fire trinn der hvert enkelt trinn er tilstrekkelig for overlevelse. Ett av mellomproduktene i denne prosessen er lystgass og kun ett enzym omdanner miljøverstingen til harmløs nitrogengass: N₂O reduktase, også kalt NosZ.

Enzymet som sluker lystgass dannes i mindre grad i sur jord

Denitrifiserende organismer er de viktigste biologiske kildene til lystgass i jord og ett av enzymene de danner er altså eneste kjente sluk. I en tid da menneskelig manipulasjon både stimulerer og endrer forutsetningene for deres aktivitet, blir det viktig å forstå hvordan disse organismene fungerer under ulike betingelser.

Studier fra hele verden viser at det farlige lystgassutslippet øker hvis pH i jorden synker. Videre ser vi at det skjer en surgjøring i utstrakte områder med intensivt jordbruk. Inntil for få år siden, forstod vi ikke helt hvorfor lystgassutslipp øker med surhetsgrad.

Mulige forklaringer kunne vært at organismene som vokser under slike forhold ganske enkelt ikke har genene for å danne enzymet som omdanner lystgass til ufarlig nitrogengass, N₂O reduktase. Alternativt kunne det hende de har genene, men at de har stengt dem av så de ikke kan uttrykkes. Forskere ved NMBU fant en alternativ forklaring: organismene har de nødvendige genene OG de uttrykker dem. Det er i siste del av byggeprosessen at det går galt. Cellene prøver utrettelig å syntetisere N₂O reduktase, men feiler i større og større grad jo lavere pH i omgivelsene blir.

Finnes det løsninger?

Selv om pH-effekten er dramatisk og tilsynelatende gjennomgående, har den fått overraskende lite oppmerksomhet på overordnet nivå, for eksempel fra FNs klimapanel, IPCC.

Litt av grunnen til det, er sannsynligvis at vi enda har til gode å bevise det gjennom dedikerte feltstudier, med prosjekter som er designet til å besvare pH-spørsmålet.

Videre er kalking en del av vanlig jordbrukspraksis for å gjøre jorda mindre sur. Dette er imidlertid ikke for å minimere lystgassutslipp, men for å fremme plantevekst.

Dermed er målsetningen gjerne pH verdier på rundt 6.0. Dette er for lavt for dannelsen av N₂O reduktase som omdanner lystgass til ufarlig nitrogengass, som fungerer optimalt ved pH over 7. Endringer i dagens praksis er sannsynligvis veien å gå.

Samtidig må vi utvise stor forsiktighet. Om vi helt ukritisk pøser på med kalk, vil det kunne resultere i store CO₂-utslipp. En løsning kan være å justere pH på andre måter, og kun der det behøves, med stoffer som i liten grad fører til dannelse av CO₂. En litt fjernere mulighet er å tilsette organismer som er spesielt gode lystgass-sluk samtidig med gjødsling.

NMBUs Nitrogengruppe med samarbeidspartnere, angriper disse spørsmålene fra mange vinkler. I laboratoriet jobber vi med å forstå på molekylnivå hvorfor lystgass-sluket N₂O reduktase ikke syntetiseres ved pH under 6. Vi leter også etter organismer som bygger enzymet på tross av lav pH, eller som generelt er veldig gode til å fjerne lystgass.

Ute i feltet undersøker vi hvordan ulike metoder for justering av pH i jord påvirker utslippet av den farlige lystgassen. Vårt overordnede mål er å én gang for alle vise en udiskutabel årsakssammenheng mellom surgjøring og økte N₂O utslipp i felt, samt finne løsninger som kan brukes i dagens eller nær fremtids jordbrukspraksis.