Milliarder af organismer, herunder mikroorganismer samt forholdsvise store insekter og regnorme, danner et levende samfund i jorden. Typisk har jord, millioner af bakterier i hvert gram. Et gram jord, kan synes at være en lille prøve, men det kan give nogle overraskende statistikker. Et skøn er, at det har et samlet overfladeareal på 20.000 kvadratmeter. Det bakterielle antal i denne prøve, ville være omkring 1 milliard (selvom kun omkring 1% kan dyrkes) og den kunne indeholde mere end en kilometer svampehyfer. Alligevel, er kun en meget lille brøkdel af det tilgængelige overfladeareal i dette gram jord, koloniseret af mikroorganismer. Den mikrobielle population i jord, er størst i de øverste få centimeter og falder hurtigt med dybden. De mest talrige organismer i jord er bakterier. Selvom actinomycetes er bakterier, betragtes de normalt hver for sig.
Bakterielle jordpopulationer, estimeres sædvanligvis ved hjælp af pladetællinger på næringsmedier og de faktiske tal undervurderes sandsynligvis i høj grad ved denne fremgangsmåde. Intet enkelt næringsstofmedium eller vækstbetingelse, kan opfylde alle de ernæringsmæssige og andre krav på en gang, som jordens mikroorganismer har.
Vi kan tænke på jorden som en ”biologisk brand”. Et blad der falder fra et træ, forbruges af denne ild, da mikroorganismerne i jorden metaboliserer dets organiske materiale. Grundstoffer i bladet, indgår i det biogeokemiske kredsløb for kulstof, nitrogen og svovl, som vi vil kigge nærmere på i denne del. I biogeokemiske kredsløb, oxideres og reduceres grundstoffer af mikroorganismer, for at opfylde deres metaboliske behov. Uden det biogeokemiske kredsløb, ville livet på Jorden ophøre med at eksistere.
17.2.1 Kulstofkredsløbet
Det primære biogeokemiske kredsløb, er kulstofkredsløbet (se figur 17.2.1.1). Alle organismer, herunder planter, mikroorganismer og dyre, indeholder store mængder kulstof i form af organiske forbindelser, som for eksempel cellulose, stivelse, fedtstoffer og proteiner. Lad os tage et nærmere kig på, hvordan disse organiske forbindelser dannes.
Hvis du husker fra del 4, udfører autotrofer en væsentlig rolle for alt liv på Jorden, ved at reducere kuldioxid for at danne organisk stof. Når man ser på et træ, kunne man tro, at dets masse er kommet fra jorden, hvor den vokser. Dets store masse af cellulose, er faktisk afledt fra de 0,03% kuldioxid, der er i atmosfæren. Dette sker som et resultat af fotosyntesen, det først trin i kulstofkredsløbet, hvor fotoautotrofer fikserer (indarbejder) kuldioxid i organisk stof, ved hjælp af energien i sollys.
I det næste trin af kredsløbet, spiser kemoheterotrofer, som for eksempel dyr og protozoer, autotroferne og kan igen blive spist af andre dyr. Som de organiske forbindelser i autotroferne fordøjes og resyntetiseres, bliver kulstofatomerne fra kuldioxid overført fra organisme til organisme, op gennem fødekæden.
Kemoautotroferne, herunder dyr, anvender nogle af de organiske forbindelser til at opfylde deres energibehov. Når denne energi frigives gennem respiration, bliver kuldioxid straks tilgængeligt og kredsløbet kan starte forfra. En stor del af kulstoffet bliver inde i organismerne, indtil de udskiller dem som affald eller de død. Når planter og dyr dør, nedbrydes disse organisme forbindelser af bakterier og svampe. Under nedbrydningen, bliver de organiske forbindelser oxideret og CO2 returneres til kredsløbet.
Kulstof kan gemmes i klipper, som for eksempel kalksten (CaCO3) og opløses som carbonat-ioner (CO32-) i havene. Store forekomster af fossilt organisk stof, findes i form af fossile brændstoffer som kul og olie. Afbrænding af disse fossile brændstoffer frigiver CO2 og øger mængden af CO2 i atmosfæren. Denne øgede mængde atmosfærisk kuldioxid er med til at forårsage den globale opvarmning af Jorden.
Et interessant aspekt af kulstofkredsløbet, er metangas (CH4). Sedimenter på havbunden, indeholder anslået 10 trillioner tons metan, omkring dobbelt så meget som Jordens samlede forekomster af fossile brændstoffer som kul og gas. Desuden producerer methanogene bakterier i havets dybder, konstant mere metan. Metan er langt mere potent som drivhusgas end kuldioxid og Jordens miljø ville faretruende ændres, hvis al denne gas undslap til atmosfæren.
17.2.2 Nitrogenkredsløbet
Nitrogenkredsløbet er vist i figur 17.2.2.1. Alle organismer behøver nitrogen for at syntetisere proteiner, nukleinsyrer og andre nitrogenholdige forbindelser. Molekylært nitrogen (N2) udgør næsten 80% af Jordens atmosfære. For at planter kan assimilere (optage) og anvende nitrogen, skal det fikseres, det vil sige opsamles og anvendes i organiske forbindelser. Aktiviteterne af specifikke mikroorganismer, er vigtige for omdannelsen af nitrogen til anvendelige former.
Næsten alt nitrogen i jorden, findes i organiske molekyler, primært i proteiner. Når en organisme dør, medfører processen med mikrobielle nedbrydningsprodukter, den hydrolytiske nedbrydning af proteiner til aminosyrer. I en proces kaldet deaminering, fjernes aminogrupperne fra aminosyrerne og omdannes til ammoniak (NH3). Denne frigivelse af ammoniak, kaldes ammonifikation (se figur 17.1.4.1). Ammonifikation som følge af en lang række bakterier og svampe, kan repræsenteres som følgende:
Mikrobiel vækst, frigiver ekstracellulære proteolytiske enzymer, der nedbryder proteiner. Aminosyrerne transporteres ind i de mikrobielle celler, hvor ammonifikationen foregår. Hvad der sker med ammoniakken produceres ved ammonifikation, afhænger af jordbundsforholdene (se beskrivelsen af denitrifikation senere). Fordi ammoniak er en gas, forsvinder den hurtigt fra tør jord, men i fugtig jord kan det blive solubiliseret og ammonium-ioner (NH4+) dannes:
Ammonium-ionerne fra denne sekvens af reaktioner, anvendes af bakterier og planter til aminosyresyntese.
Nitrifikation
Den næste sekvens af reaktioner i nitrogenkredsløbet, involverer oxidation af nitrogen i ammonium-ionen for at danne nitrat, en proces der kaldes nitrifikation. I jorden lever autotrofe nitrificerende bakterier, som for eksempel af slægterne Nitrosomonas og Nitrobacter. Disse mikroorganismer, udvinder energi ved at oxidere ammoniak eller nitrit. I den første fase, oxiderer Nitrosomonas ammonium til nitrit:
I anden fase, oxiderer sådanne organismer som Nitrobacter, nitrit til nitrat:
Planter har tendens til at anvende nitrat som deres kilde til nitrogen for proteinsyntese, fordi nitrat er meget mobilt i jord og er mere sandsynligt at støde på for en planterod, en ammonium. Ammonium-ioner ville faktisk være en mere effektiv kilde til nitrogen, fordi de kræver mindre energi at indarbejde i protein, men disse positivt ladede ioner, er normalt bundet til ladede lerarter i jorden, mens de negative nitrat-ioner ikke er bundet.
Denitrifikation
Tilstanden for nitrogen som følge af denitrifikation, er fuldt oxideret og indeholder ikke længere noget biologisk anvendeligt energi. Men det kan bruges som elektronacceptor af mikroorganismer, der metaboliserer andre organiske energikilder i fravær af atmosfærisk ilt. Denne proces, der kaldes denitrifikation, kan føre til frigivelse af nitrogen til atmosfæren, især som nitrogengas. Denitrifikation kan repræsenteres som følger:
Denitrifikation forekommer i vandmættede jorde, hvor meget lidt oxygen er tilgængeligt. I mangel af oxygen som elektronacceptor, substituerer denitrificerende bakterier nitrater fra landbrugsgødning. Dette omdanner meget af den værdifulde nitrat til gasformigt nitrogen, der dermed frigives til atmosfæres og repræsenterer et betydeligt økonomisk tab.
Nitrogenfiksering
Vi lever på bunden af et hav af nitrogengas. Den luft vi indånder, består af cirka 79% nitrogen og over enhver acre jord (acre = 4.046,9 m2), står en søjle af nitrogen, der vejer omkring 32.000 tons. Men kun få arter af bakterier, herunder cyanobakterier, kan bruge det direkte som nitrogenkilde. Den proces hvorved de omdanner nitrogengas til ammoniak, er kendt som nitrogenfiksering.
Bakterier, der er ansvarlige for nitrogenfiksering, er alle afhængige af det samme enzym, nitrogenase. Det anslås, at hele Jordens forsyning af dette væsentlige enzym, ville kunne være i en stor spand. Nitrogenase inaktiveres af oxygen. Derfor er det formodentlig blevet udviklet tidligt i planetens historie, før atmosfæren begyndte at indeholde meget molekylært oxygen og før nitrogenholdige forbindelser var tilgængelige fra rådnende organisk materiale. Nitrogenfiksering sker ved to typer af mikroorganismer: fritlevende og symbiotiske (landbrugsgødning består af nitrogen, der er fikseret ved industrielle fysisk-kemiske processer).
Fritlevende nitrogenfikserende bakterier
Fritlevende nitrogenfikserende bakterier findes i særligt høje koncentrationer i rhizosfæren, et område på omkring 2 mm fra planteroden. Rhizosfæren repræsenterer noget af en ernæringsmæssig oase i jorden, især på græsarealer. Blandt de fritlevende bakterier der kan fiksere nitrogen, er aerobe arter som for eksempel Azotobacter. Disse aerobe organismer, afskærmer tilsyneladende det anaerobe nitrogenaseenzym fra oxygen, ved blandt andet at have en meget høj udnyttelsesgrad af oxygen, der minimerer diffusionen af oxygen ind i det indre af cellen, hvor enzymet er placeret.
En anden fritlevende obligat aerob bakterie der fikserer nitrogen, er Beijerinckia. Nogle anaerobe bakterier som for eksempel Clostridium, kan også fiksere nitrogen. Bakterien C. pasteurianum, en obligat anaerob, nitrogenfikserende mikroorganisme, er et fremtrædende eksempel.
Der er mange arter af aerobe, fotosyntetiserende cyanobakterier der fikserer nitrogen. Fordi deres energiforsyning er uafhængig af kulhydrater i jorden eller vandet, er de særligt brugbare som leverandører af nitrogen til miljøet. Cyanobakterier bærer normalt deres nitrogenaseenzymer i specialiserede strukturer, der kaldes heterocyster, som giver anaerobe forhold til nitrogenfikseringen (se figur 9.2.2.1a).
De fleste fritlevende, nitrogenfikserende bakterier, er i stand til fiksering af store mængder nitrogen, under laboratorieforhold. Men i jorden er der normalt en mangel på anvendelige kulhydrater, der kan levere den nødvendige energi for at reducere nitrogen til ammoniak, der herefter inkorporeres i protein. Ikke desto mindre, yder disse nitrogenfikserende bakterier et vigtigt bidrag til nitrogenregnestykket i områder som overdrev, skove og den arktiske tundra.
Symbiotiske nitrogenfikserende bakterier
Symbiotiske nitrogenfikserende bakterier, spiller en endnu større rolle i planternes vækst ved planteavl. Medlemmer af slægterne Rhizobium, Bradyrhizobium og andre, inficerer rødderne hos bælgplanter, som for eksempel sojabønner, bønner, ærter, jordnødder, lucerne og kløver. Disse landbrugsmæssigt vigtige planter, er kun nogle få af de tusindvis kendte arter af bælgplanter, hvoraf mange er buskede planter eller små træer fundet i mange magre jorde i mande dele af verden. Rhizobia, som disse bakterier er almindeligt kendt som, er specielt tilpasset til bestemte bælgplantearter der danner rodknolde eller rodknuder (se figur 17.2.2.2). Nitrogen fikseres ved en symbiotisk proces, mellem planten og bakterierne. Planten tilbyder anaerobiske forhold og vækstregulerende næringsstoffer til bakterierne og bakterierne fikserer til gengæld nitrogen, der kan inkorporeres i planteproteiner.
Der findes lignende eksempler på symbiotisk nitrogenfiksering. Frankia hos ikke-bælgplanter, som for eksempel elletræer. Væksten af en acre elletræer, kan fiksere op mod 50 Kg nitrogen om året; træerne er derfor en værdifuld tilføjelse til skovens nitrogenregnskab.
Et andet vigtigt bidrag til nitrogenregnskabet i skovene, ydes af lavarter, der er en kombination af en svamp og en alge eller en cyanobakterie i et mutualistisk forhold (se figur 10.2.1). Når en symbiont er en nitrogenfikserende cyanobakterie, er produktet fikseres nitrogen, der i sidste ende beriger skovbunden. Fritlevende cyanobakterier kan fikserer betydelige mængder nitrogen i ørkensand efter regn og på overfladen af den arktiske tundras jord. Rismarker, kan ophobe store mængder af sådanne nitrogenfikserende organismer. Cyanobakterien danner også symbiose med en lille flydende bregne, Azolla, der vokser kraftigt i overrislede rismarker (se figur 17.2.2.3).
17.2.3 Svovlkredsløbet
Svovlkredsløbet (se figur 17.2.3.1) og nitrogenkredsløbet, ligner hinanden i den forstand, at de repræsenterer en lang række oxidationstrin af disse grundstoffer. De mest reducerede former af svovl, er sulfiderne, som for eksempel den stærkt lugtende gas hydrogensulfid (H2S). Ligesom ammonium-ionen i nitrogenkredsløbet, er dette en reduceret forbindelse der almindeligvis dannes under anaerobe forhold. Til gængæld, repræsenterer det en energikilde for autotrofe bakterier. Disse bakterier, omdanner det reducerede svovl i H2S, til elementært svovlgranulater og fuldt oxiderede sulfater (SO42-).
Adskillige fototrofe bakterier, som for eksempel de grønne og violette svovlbakterier, oxiderer også H2S og danner farverige interne svovlgranulater (se figur 9.2.2.2). Ligesom Beggiatoa, kan de yderligere oxidere svovlet til sulfat-ioner. Det er vigtigt at erkende, at disse organismer benytter lys som energikilde; hydrogensulfidet bruges til at reducere CO2.
Planter og bakterier, indarbejder sulfater til at blive en del af svovlholdige aminosyrer, til brug af mennesker og andre dyr. Der, danner de difulfidbindinger, som giver struktur til proteiner. Proteiner nedbrydes i en proces, kaldet dissimilation og svovlet frigives som hydrogensulfid og kan igen indtræde i kredsløbet.
17.2.4 Liv uden sollys
Interessant nok, er det muligt for hele biologiske samfund, at eksistere uden fotosyntese, ved at udnytte energien i H2S. Sådanne samfund opstår for eksempel omkring dybhavsskorstene. Dybe huler, helt isoleret fra sollys, er blevet opdaget til også at huse hele biologiske samfund. De primære producenter i disse samfund, er kemoautotrofe bakterier, snarere end fotoautotrofe planter eller mikroorganismer.
For nyligt, er et andet mikrobielt økosystem, der eksisterer langt fra sollyset, blevet opdaget over 1 km inde i klipper, blandt andet i skifer, granit og basalt. Sådanne bakterier, kaldes endolitter (inde i sten) og kan vokse i nærmest fravær af oxygen og med minimale forsyninger af næringsstoffer. Kuldioxid opløst i vand, tjener som en kulstofkilde og cellulært organisk stof fremstilles. Nogle af dem udskilles eller frigives ved død og cellelyse af mikroorganismen og bliver dermed til rådighed for væksten af andre mikroorganismer. Næringsstofferne, især nitrogen, er meget sparsomme i dette miljø og generationstiden skal til tider måles i mange år.
17.2.5 Phosphorkredsløbet
Et andet vigtigt ernæringsmæssigt vigtigt element, der er en del af et stofkredsløb, er phosphor. Tilgængeligheden af phosphor, kan bestemme om planter og andre organismer kan vokse i et område. Problemerne forbundet med overskydende phosphor (eutrofiering), beskrives senere i denne del.
Phosphor, findes primært som phosphat-ioner (PO43-) og gennemgår en meget lille ændring i dets oxidationstrin. Phosphorkredsløbet indebærer i stedet ændringer fra opløselige til uopløselige former og fra organisk til uorganisk phosphat, ofte i forhold til pH. For eksempel, kan phosphat i klipper solubiliseres af den syre der dannes af bakterier, for eksempel Acidithiobacillus. I modsætning til de andre kredsløb, der er ingen flygtige phosphorholdige produkter, der returnerer phosphor til atmosfæres, på den måde som det sker med kuldioxid, nitrogengas og svovldioxid. Derfor har phosphor tendens til at blive ophobet i havene. Det kan hentes ved minedrift, fra gamle sedimenter af oceanbunde, mest som aflejringer af calciumphosphat. Havfugle udvinder også phosphat fra havet, ved at spise phosphorholdige fisk og deponerer det som fugleklatter. Visse små øer beboet af disse fugle, er længe blevet udnyttet som kilder til phosphor til brug i gødning.
17.2.6 Nedbrydning af syntetiske kemikalier i jord og vand
Vi tager for givet, at jordens mikroorganismer vil nedbryde materialer der udledes til jorden. Naturligt stof, som for eksempel visne blade eller rester af dyr, er faktisk let nedbrydelige. Men i denne industrielle tidsalder, udledes store mængder af mange kemikalier der ikke forekommer i naturen (miljøfremmede stoffer), for eksempel plastic. Faktisk omfatter plast næsten en fjerdedel af alt kommunalt affald. En foreslået løsning på problemet, er at udvikle biologisk nedbrydeligt plast, fremstillet af polylactid (PLA) der fremstilles ved mælkesyrefermentering. Når det komposteres (se figur 17.1.8.2 under afsnittet ”Fast kommunalt affald”), nedbrydes PLA plast i løbet af et par uger. PLA-baseret plast, optræder i en række kommercielle produkter, som for eksempel engangsvandflasker og drikkebægre. En anden version af bionedbrydeligt plast, fremstillet af fermenteret majssukker, kaldes polyhydroxylalkanoat eller PHA. Produkter af PHA, nedbrydes lettere og kan modstå højere temperaturer ved brug, men de er dyrere at fremstille end PLA. Mange syntetiske kemikalier, som for eksempel pesticider, er meget resistente over for mikrobiel nedbrydning. Et velkendt eksempel er insekticidet DDT, der viste sig at være så modstandsdygtigt over for nedbrydning, at det blev akkumuleret til skadelige niveauer i miljøet.
Små forskelle i den kemiske struktur, kan gøre en stor forskel i bionedbrydeligheden. Det klassiske eksempel er to herbicider: 2,4-D (den mest almindelige kemikalie anvendt mod ukrudt i græsplænen) og 2,4,5-T (brugt til at dræbe buske); begge var dele af Agent Orange, der blev brugt til at defoliere (fjerne blade) junglen under Vietnamkrigen. Tilsætningen af et enkelt chlor-atom til strukturen af 2,4-D, forlængede dets levetid i jorden fra et par dage til en ubegrænset periode.
Et stigende problem, er udvaskningen til grundvandet af giftige materialer, der ikke er bionedbrydelige, eller som nedbrydes meget langsomt. Kilderne til disse materialer kan omfatte lossepladser, ulovlige industrielle lossepladser, eller pesticider anvendt på landbrugsafgrøder.
Bioremediering
Anvendelsen af mikroorganismer til at afgifte eller nedbryde forurenende stoffer, kaldes bioremediering. Olieudslip fra forliste tankskibe og olieboreplatforme, repræsenterer nogle af de mest dramatiske eksempler på kemisk forurening. Bioremediering forekommer naturligt, når mikroorganismer nedbryder råolie under aerobe forhold. Men mikroorganismer skaffer normalt deres næringsstoffer fra vandige opløsninger og oliebaserede produkter er relativ svært opløselige. Jordoliecarbonhydrider, er også mangelfulde på væsentlige grundstoffer, som for eksempel nitrogen og phosphor. Bioremediering af et olieudslip bliver stærkt forbedret, hvis mikroorganismerne forsynes med ”gødning”, der indeholder nitrogen og phosphor (se figur 17.1.8.1). Bioremediering kan også gøre brug af mikroorganismer, der er blevet udvalgt til vækst på et bestemt forurenende stof eller af genetisk modificerede bakterier, der er specielt tilpasset til at kunne metabolisere olieprodukter. Tilføjelse af sådanne specialiserede mikroorganismer, kaldes bioaugmentation.
Fast kommunalt affald
Fast kommunalt affald (skrald), bliver oftest placeret på store komprimerede lossepladser. Betingelserne er i store træk anaerobe og antageligt bionedbrydeligt materiale, som for eksempel papir, nedbrydes ikke særligt effektivt af mikroorganismer. Faktiske, er det ikke unormalt, at man kan finde en 20 år gammel, læsbar avis. Men sådanne anaerobe forhold, fremmer aktiviteten af de samme methanogener, der almindeligvis anvendes i brugen af anaerobe forrådnelsestanke til behandling af spildevand. Den metan der dannes, kan tappes ved at bore kanaler og brænde det for at generere elektricitet, eller det kan renses og bruges som naturgas.
Kompostering, er en proces gartnere bruger, til at omdanne planterester til en pendant af naturlig forrådnede plantedele (humus). En bunke af blade eller græs, vil gennemgå en mikrobiel nedbrydning. Under gunstige betingelser, vil termofile bakterier kunne hæve temperaturen i komposten til 55-60 ºC. Efter temperaturen igen falder, kan bunken vendes for at forny oxygenforsyningen og en ny temperaturstigning vil forekomme. Over tid, bliver de termofile mikrobielle populationer erstattet af mesofile populationer, der langsomt fortsætter omdannelsen af planteresterne til et stabilt materiale, der svarer til humus. Hvor der er plads, bliver kommunalt affald komposteret i skår (lange, lave bunker), der fordeles og regelmæssigt vendes af specialiserede maskiner (se figur 17.1.8.2). Bortskaffelsen af kommunalt affald, gør nu stigende brug af komposteringsmetoder.