Mikrobiell metabolisme, hvilken betydning har den for vitring?

Abstract

Klimaendringer fører til endringer i temperatur- og nedbørsmønstre over hele jordkloden og er en av vår tid største utfordringer. Drivhusgasser som karbondioksid (CO2), metan, vanndamp, dinitrogenoksid (lystgass, N2O) og ozon er drivkreftene bak endringene. Jordbruk er en betydelig kilde til slike utslipp, og selv om dette er en uunngåelig følge av matproduksjon bør det etterstrebes å redusere disse utslippene. Lystgassutslipp fra jord skyldes hovedsakelig mikrobiell nitrifikasjon og denitrifikasjon, prosesser som reguleres av pH, temperatur, substrat- og oksygentilgang. Flere studier har vist nedgang i mikrobiell produksjonsratio N2O/(N2O + N2) ved økning av jord-pH fra sur til basisk. Kalking kan derfor medvirke til en ønsket reduksjon i lystgassutslipp fra jordbruk. Ulempen er at tilførsel av kalk i jord potensielt fører til økte utslipp av CO2. En mulig løsning er å benytte mafiske silikatmineraler som pH-økende middel i jorda. Det kan gi reduksjon i lystgassproduksjonen uten økte CO2-utslipp, i tillegg til å forsyne jorda med et spekter av plantenæringsstoffer. Utnyttelse av silikatmineraler som jordforbedringsmiddel krever kunnskap om deres oppbygning, geokjemiske sammensetning og ikke minst hvordan de forvitrer i jordsystemet. Hensikten med denne studien var å undersøke hvordan jordbakteriers ulike former for aktivitet påvirker vitring av silikatmaterialene Altagro, noritt og olivin. Dette ble undersøkt i systemer utelukkende bestående av silikatmateriale, ekstraherte jordbakterier og ulike næringsløsninger med glukose, ammoniumsulfat og oksalsyre som hovedkomponent, (vann som kontroll). Som forventet førte bakteriell ammoniumoksidasjon og nedbrytning av glukose til forsuring og økt vitringshastighet. Tilførsel av oksalsyre økte også vitringshastigheten som følge av forsuring, selv om bakterienes nedbrytning av oksalsyren gradvis førte til økning i pH. Likevel ble det ikke gjort funn som tyder på at oksalsyrens virkning avtar med tiden på grunn av eskalerende nedbrytningshastighet. Studiens mange variabler; geokjemi, pH, vitring, nydannelse av mineraler, mikrobiell metabolisme og eventuell chelat-produksjon vanskeliggjorde arbeidet med å skille mellom deres betydning for resultatene. Overordnet ser det ut til at jordvæskens pH var av størst betydning for vitringshastigheten. Undersøkelsene i denne studien viser samlet sett at det ikke er holdepunkter for å hevde at mikrobiell metabolisme i vesentlig grad påvirker vitringshastigheten til Altagro, noritt og olivin, ut over det som skyldes endringer i pH.

A changing climate with altered temperature and precipitation regimes is one of the biggest challenges of our time. The driving force are greenhouse gases like carbon dioxide (CO2), methane, water vapour, nitrous oxide (N2O) and ozone. A considerable amount of greenhouse gas emissions stems from agriculture. This is an inevitable consequence of food production, but it should be enforced to reduce these emissions. Microbial nitrification and denitrification are the most prominent reasons for N2O emissions from soils. These processes are controlled by pH, temperature and the supply of oxygen and suitable substrates. Several studies show a decrease in the microbial production of N2O/(N2O + N2) ratio when the soil pH is changed from acidic to more alkaline. Liming of soils is one possible solution for reducing nitrous oxide emissions from agriculture, but this might cause increased CO2 emissions. The use of mafic silicate minerals to increase soil pH might be a solution to both; the increased pH reduces N2O emissions, without amplifying the emissions of CO2. In addition, silicate minerals provide the soil with a range of plant nutrients. The use of silicate minerals as a soil conditioner requires knowledge of their geochemical content and structure, and how they are weathered in a soil system. The purpose of our study was to investigate how different forms of microbial activity influence the weathering of three different silicate materials (Altagro, norite and olivine). The investigation was based on a system exclusively consisting of silicate material, extracted soil bacteria and different nutrient solutions with one of the following as the main component; glucose, ammonium sulfate or oxalic acid, with water as control. The microbial oxidation of ammonium and the breakdown of glucose caused acidification and a following increase of weathering rates. The same effect was shown when oxalic acid was added, although microbial breakdown of the compound resulted in an increase of pH. Yet there were no findings suggesting that the impact of oxalic acid decreases with time following intensified rates of breakdown. There are many variables that potentially are of significance to the experimental results; geochemistry, pH, weathering, formation of secondary minerals, microbial metabolism and potential chelating effects. Nevertheless, bulk pH seems to be the most significant factor to the weathering rates. Altogether this study shows that the weathering rates of Altagro, norite or olivine are not considerably affected by microbial metabolism, beyond the changes of pH.