Lustgas – en av ozonlagrets värsta fiender

En av ozonlagrets största fiender är dikväveoxid, N₂O; en förening mer allmänt känd som lustgas. Det är också en kraftfull växthusgas; ett kilo dikväveoxid kan absorbera ungefär 300 gånger mer värme än ett kilo koldioxid.

Lustgas bildas naturligt i miljön när ammoniak oxideras till nitrat och nitrat reduceras till kväve, men även till följd av förbränning. Gödselanvändning i jordbruket är en starkt bidragande orsak till att lustgasutsläppen ökar. N₂O kan dock omvandlas till kvävgas, N₂. Denna process utförs bland annat av mikrobsamhällen i jordar och havsbottnar, och är den huvudsakliga kvävesänkan i havet.

I en process som kallas denitrifikation reduceras nitrat och nitrit i en serie reaktioner till kvävgas och återgår till atmosfären. Kvävegasen kan också bildas från ammoniak under så kallad anammox. Även om denitrifiering vanligtvis är den viktigaste processen för avlägsnandet av kväve är anammox stundtals lika tongivande. Båda dessa processer drivs av mikroorganismer, och båda kräver nästan helt syrefri miljö för att äga rum.

Syrekänsliga processer
Mikroorganismerna bakom denitrifieringsprocessen kan grovt indelas i två grupper:

1. de som har de genetiska förutsättningarna för hela nedbrytningen från nitrat till kvävgas
2. de som endast kan utföra det sista steget, från dikväveoxid till kvävgas.

Den sista gruppen har lyfts fram som särskilt viktiga reglerare av dikväveoxidnivåerna i atmosfären. Båda grupperna är känsliga för syre och behöver en anaerob miljö för att effektivt bryta ner kväveföreningar. Havet är dock en ombytlig plats, och syrenivåerna kring bottnarna fluktuerar beroende på både biologiska och klimatologiska omständigheter.

Det är därför troligt att lokala bottensediments förmåga att verka som kvävesänka och N₂O-reglerare varierar med dessa fluktuationer. Om detta handlar en studie från institutionen för skoglig mykologi och växtpatologi vid Sveriges lantbruksuniversitet.

Doktorand Lea Wittorf är en av studiens upphovspersoner.

– Havet är en viktig lustgasproducent, och kustnära vatten med stor avrinning från jordbruket producerar nog mer än det öppna havet. Men hur mycket denitrifierande bakterier påverkar produktionen vet vi inte, säger hon.

– Vi vet i allmänhet inte särskilt mycket om lustgasreduktion i några ekosystem. I den här studien ville vi därför förstå hur olika mönster av syresättning av havsvattnet påverkar de denitrifierande mikrobsamhällena.

Lea Wittorf inkuberade bottensediment i olika vattenmiljöer; kontinuerligt syresatt, kontinuerligt anaerobt med en blandning av koldioxid och kvävgas istället för luft, och i femdagarscykler växelvis syresatt eller anaerobt. Detta pågick i 137 dagar.

– Vår hypotes var att vattnet med de oscillerande syrenivåerna borde främja denitrifieringen i sedimente. Eftersom denitrifikationen inte kan äga rum under i närvaro av syre i någon större omfattning, samtidigt som den kräver tillgång på nitrat och nitrit, vilka i sig inte bildas i anaerob miljö. Därför ser vi ofta att denitrifikationsprocessen med tiden avstannar i helt anaeroba miljöer, säger Lea Wittorf.

Växlande syresättning gynnar denitrifikation
Forskarnas genomförde DNA-analyser på sedimentproverna för att studera mikrobsamhällets genetiska förutsättning för kvävenedbrytning, och fann att oavsett syresättning var resurserna för denitrifiering signifikant större än för anammox, vilket tyder på att detta är den dominerande kvävecirkulationsvägen i proverna.

– Men vi såg också att mikrobsamhället påverkades olika av respektive syrebehandling. Oscillerande syrenivåer hade en märkbart gynnsam effekt på denitrifierande mikrober. Bland dessa kunde vi se att de med förmåga till hela nedbrytningen från nitrat till kvävgas  dominerade över de som enbart kunde utföra det sista steget, från dikväveoxid till kvävgas. Båda grupperna gynnades dock signifikant av den oscillerande syrebehandlingen, säger Lea Wittorf.

Professor Sara Hallin är initiativtagare till projektet.

– Slutsatsen av vår studie är att syre är en mycket viktig faktor för havets kvävekretslopp. Det påverkar både mängden gener för kvävenedbrytning i mikrobsamhället och samhällets artsammansättning. Den för växthuseffekten och ozonlagret viktiga N₂O-nedbrytningen visade sig huvudsakligen utföras av bakterier som är kapabla att fullständigt denitrifiera kväve, hela vägen från nitrat, och dessa bakterier påverkades märkbart av syresättningen i vattne, säger Sara Hallin.

Detta är viktig kunskap för att förstå bland annat hur eventuella förändringar i havsmiljön kan påverka växthusgaser i atmosfären.