Ansökningsobjekt: Livsmedelsvetenskaper Modellsvar 1 Hur förändrade uppkomsten av levande organismer jordklotets kvävecykel? Utgångsläge Man antar att kvävet, då planeten har bildats, har nått protoplaneten i form av ammoniakis (NH 3), aminosyror och enkla föreningar. De reducerade kväveformerna/-föreningarna (NH 3, NH 4+ ) reagerade med övergångsmetaller i de övre lagren av jordklotets mantel, varvid det bildades kvävgas som frigjordes i atmosfären vid vulkanutbrott. Till följd av blixtar och meteoritkollisioner bildades kvävemonoxid som oxiderades till nitrat och nitrit. Nitrat, nitrit och kvävgas kunde vidare reduceras till ammoniumoxid vid höga temperaturer i närvaro av järn. Tack vare mikroorganismers verksamhet uppstod en kvävecykel med en naturlig återkoppling. Denna naturliga återkoppling var mycket snabbare än i den abiotiska cykeln. Till exempel flödena av näringsämnen och kol i biosfären mångdubblades. Fotosyntes utan syreproduktion De tidiga organismerna på jordklotet fick sannolikt sin energi från gasformigt väte även om primärproduktionen var mycket svag på grund av den begränsade tillgången till väte. Under evolutionens inledande fas använde fotosyntesen sig av solens energi för oxidering av bl.a. väte och svavelsulfid utan att producera något syre. Anoxygena fototrofer ökade flödena av näringsämnen och kol i biosfären till och med hundrafalt. Den begränsade tillgången till kväve styrde tydligen evolutionen mot kvävebindning. Förmågan att binda kväve utvecklades i ett tidigt skede av evolutionen hos anaeroba fotoautotrofer som hör till bakterierna. Vid den tiden hade stora mängder järn samlats i haven. Genom evolutionen uppstod gener som kodar för nitrogenas hos organismer som har förmågan att binda kväve. Nitrogenasenzymkomplexen behöver järn och vanadin eller molybden. Eftersom det fanns ont om molybden och å andra sidan gott om järn är det uppenbart att det nitrogenasenzym som utnyttjar järn till en början var dominerande. Den effektivare Moformen utvecklades senare (för 500-600 miljoner år sedan). Syreproducerande fotosyntes Kvävecykeln torde ha uppstått före cyanobakteriernas syreproducerande fotosyntes. Molekylärt syre har ändå varit ett nödvändigt ämne vid den biologiska produktionen av nitrat och vid den aeroba nitrifikationsprocessen, så den nuvarande kvävecykeln utvecklades först efter detta. Då fotosyntesen utvecklats växte primärproduktionen märkbart och det påverkade även kvävecykeln, som visserligen redan då liknande den nuvarande.
Modellsvar 2 På vilket sätt hör dikväveoxid N 2O ihop med den nutida kvävecykeln? Vid aeroba förhållanden oxiderar vissa bakterier och arkebakterier det reducerade kvävet (bl.a. NH4 + ) först till hydroxylamin och vidare till nitrit och nitrat. Som ett mellanled i denna process uppstår dikväveoxid, som fungerar som växthusgas. Vid kemotrofi (i frånvaro av ljus) använder mikrober de elektroner och protoner som frigörs vid oxidering av ammonium och nitrit för att binda oorganiskt kol. Härvid uppstår dikväveoxid (N 2O) som en biprodukt. Den oxidering av ammonium och nitrit till nitrat (nitrifikation, aerobisk oxidation av kväveföreningar) som sker i vattendrag och på markytan är en av de viktigaste källorna till dikväveoxid (N 2O) i atmosfären. Ett av mellanstegen i nitrifikationen leder till bildning av dikväveoxid. Vid denitrifikationsprocessen (nitrat->nitrit- >kväveoxid->kvävgas) som sker vid anaeroba förhållanden uppstår huvudsakligen kväve men även små mängder av dikväveoxid. Jordbruket står för cirka en fjärdedel av den dikväveoxid som frigörs. Man antar att störningarna i kvävets normala kretslopp syns även som en ökning av halterna av dikväveoxid. Det fixerade kvävet transporteras till floder och via dem till kusterna. Då syrebristen vid kustområdena utvidgas avdunstar därmed allt större mängder av dikväveoxid (N 2O) till atmosfären.
Modellsvar 3. Vad berättar Bild 4 och texten om kväveflödenas hastighet och förändringarna i kvävereserverna under den nutida kvävecykeln? Nuförtiden är primärproduktionen av kväve lika stor på land som i vattensystem, ca 4x10 15 mol/år. Före industrialiseringen var den naturliga kvävecykeln av samma storleksklass på land och i havet. I dagens läge är denitrifikationen och kvävebindningen i kvävecykeln på land någorlunda i balans. Från land sprider sig dock kväve till haven via floderna samt försvinner i atmosfären i gasform (NO x, NH 3 och N 2O) och sprider sig därifrån till haven. I världshaven är denitrifikationen snabbare än kvävebindningen och spridningen av kväve till haven från markytan sammanräknat, så systemet är inte i balans. Tillgången till syre reglerar denitrifikationen. Då vattnets syrehalt är låg förekommer det mycket denitrifikation (strändernas sediment, tropiska östra Stilla havet, sydvästra Afrika och Arabiska havet). Kvävefixering sker närmast på norra halvklotets tropiska och subtropiska områden, där biologiskt användbart järn finns tillgängligt. Kalkylmässigt finns det numera i världshaven ett underskott på 2 mmol/l nitrat (NO 3- ), vilket beskriver obalansen mellan kvävefixering och denitrifikation. Människans inverkan på kvävecykeln började på 1900-talet: man började tillverka kvävegödsel (NH 4+ ), tog nya odlingsmetoder i bruk för att öka skördarna (växelbruk/baljväxter) och började använda fossila bränslen. Baljväxter binder ca 2,4x10 12 mol kväve per år. Med hjälp av Haber-Bosch-processen framställs 9,5x10 15 mol NH 4 + och vid brännandet av fossila bränslen uppstår 1,8x10 12 mol. Den kvävefixering som mänsklig verksamhet ger upphov till på jordens yta är dubbelt så stor som den naturliga kvävefixeringen och producerar 45 % av den totala mängden kväve som binds på jordklotet. 1,0 p De odlade grödorna kan ändå utnyttja bara knappt 40 % av kvävet i kvävegödsel. Största delen spolas ändå - bort i form av NO 3 eller avdunstar till atmosfären genom denitrifikation. Nitratet som flödar till vattendrag och grundvatten orsakar utöver ett kvävesvinn även eutrofiering av kusterna och uppkomsten av syrefria zoner på olika håll i världen. Vid syrefria förhållanden (våt jordmån, vattendrag) uppstår till följd av denitrifikation förutom kväve även N 2O, av vilken en del avdunstar till atmosfären. N 2O är en växthusgas, som värmer 300 gånger effektivare än CO 2. N 2O förstör även stratosfärens ozon genom att reagera med det. Jordbruket står för cirka en fjärdedel av helhetsutsläppen av N 2O.
Modellsvar 4. Vilken information har man fått genom att undersöka olika kväveisotoper? Genom att undersöka stabila kväveisotoper får man information om kvävets denitrifikationsprocess (omvandlingen av kväve i nitrat- och nitritform till kvävgas) samt oxidering av anaerobiskt ammoniumkväve (och reduktion av nitrit). Dessa två processer är kvävecykelns sista fas, där kvävet återvänder tillbaka till atmosfären som kvävgas (N 2). Kvävets återupptagning i atmosfären innefattar i vattenmiljö dessa två processer, både denitrifikation och anammox-processer, vilka leder till fraktionering av kvävet i två stabila isotoper. Den lättare av kväveisotoperna, 14 N d.v.s. kväve-14, fördelas i första hand i kvävgasen (N 2) medan den tyngre kväveisotopen, kväve-15 d.v.s. 15 N-isotopen, i rikligare mängd blir kvar i det kväve som är bundet till de oorganiska poolerna. Vid isotopanalyser av markprover från den senarkeiska tiden (tidsåldern för ca 2,7 miljarder år sedan) har man upptäckt organiskt material som har innehållit rikligt av kväve-15-isotopen. Detta anses tyda på att antingen anaerobisk oxidering av ammoniumkväve eller klassisk denitrifikation (frigörande av nitrat- eller nitritkväve i form av kvävgas) var en del av kvävecykeln. Eftersom dessa processer förutsätter aktiv produktion av kväve genom nitrifikation (omvandling av ammoniumkväve till nitrat- eller nitritkväve), har man dragit slutsatsen att det har förekommit både molekylärt syre (O 2) i världshavens ytskikt och en fullständig kvävecykel redan flera hundra miljoner år innan det skedde en omfattande ökning av syremängden i atmosfären.
Modellsvar 5. Hur har människan påverkat kvävecykeln och hurdan kunde kvävecykeln vara i framtiden? Människan har haft en stor inverkan på kvävets kretslopp efter att den nutida kvävecykeln utvecklades för 2,5 miljarder år sedan. Införandet av kvävegödsel, införandet av baljväxter vid växelbruk samt att man börjat använda fossila bränslen har varit det som påverkat kvävecykeln mest. De störningar i kvävecykeln som orsakats av människan (kvävegödsel) har lett till eutrofiering av sötvattensområden och kustområden och en ökning av halten av en skadlig växthusgas, dikväveoxid, i atmosfären 0,5p Sannolikt uppstår det i framtiden en ny balans till följd av naturlig återkoppling (mikrobiella processer), varvid det överflödiga kvävet som människans verksamhet ger upphov till inte längre samlas i jordmånen eller vattendragen, utan avlägsnas i samma takt som det uppstår. Det kan ta flera årtionden att uppnå en balans. För att man ska kunna livnära den fortfarande växande befolkningen på jorden ökar behovet av fixerat kväve. Därmed växer även risken för att stora mängder kväve ska transporteras längs floder till kuster och som följd av detta hotar eutrofiering av kuster, syrebrist, försvagad vattenkvalitet och en ökad avdunstning av N 2O till atmosfären. 1,0 p För att förbättra situationen kan man minska på användningen av kväve och effektivera genom att tillämpa nya metoder och använda gamla metoder som konstaterats vara bra och hållbara. Sådana är bl.a. (a) systematiskt cirkulationsbruk (växelbruk av baljväxter), (b) optimering av gödselmängder och tidpunkt för gödsling så att man får ut den största möjliga effekten av gödseln, (c) förädling och utveckling av sådana grödor som förmår använda kväve effektivt (d) förädling av sådana grödor som förmår producera enzymer som hindrar nitrifikation och (e) utveckling av sådana sädesväxter och grödor som har ett endosymbiotisk samarbete med kvävefixerande bakterier. Även de s.k. marknadskrafterna driver på förändringarna, eftersom priserna på kvävegödsel hela tiden stiger och gödselns miljöeffekter kräver att man effektiverar kväveanvändningen inom jordbruket.