5.5 Biogeokjemiske kretsløp

Atomene som går i ring

Karbonatomet i pusten din nå har kanskje en gang vært en del av en dinosaur, en havalge, eller luften et urtidsmenneske pustet inn. For mens energi strømmer gjennom økosystemet i én retning og forsvinner som varme, sirkulerer næringsstoffene i kretsløp -- om og om igjen, mellom den levende og den ikke-levende delen av biosfæren.

Disse kalles biogeokjemiske kretsløp fordi de involverer biologiske, geologiske og kjemiske prosesser. Uten dem ville jordens begrensede forråd av grunnstoffer som karbon, nitrogen og fosfor raskt blitt brukt opp, og livet ville opphørt. I dette kapittelet følger vi de viktigste kretsløpene -- og ser hvordan menneskelig aktivitet har forrykket balansen i dem alle.

Karbonet -- livets byggestein i bevegelse

Karbon er grunnlaget for alle organiske molekyler, og karbonkretsløpet beskriver hvordan det beveger seg mellom atmosfæren, havet (hydrosfæren), de levende organismene (biosfæren) og berggrunnen (litosfæren).

Karbonet finnes i store reservoarer med svært ulik oppholdstid: i atmosfæren som CO$_2$ (kort oppholdstid), oppløst i havet (rundt tusen år), i fossilt brensel (millioner av år), i jordsmonn og i levende biomasse. Flere prosesser flytter karbonet mellom dem. Fotosyntesen binder CO$_2$ fra atmosfæren: $6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2$. Motsatt vei frigjør celleånding og nedbryting CO$_2$ tilbake. Vulkansk aktivitet og forbrenning av fossilt brensel sender karbon fra berggrunnen til atmosfæren, og CO$_2$ løses dessuten i havvann, som er et enormt karbonsluk og absorberer rundt 25 % av menneskeskapte utslipp.

Menneskets påvirkning er dramatisk. Siden den industrielle revolusjonen har vi økt atmosfærisk CO$_2$ fra rundt 280 ppm til over 420 ppm, hovedsakelig gjennom forbrenning av kull, olje og gass (rundt 9,5 Gt C/år) og avskoging (rundt 1,5 Gt C/år). Denne raske frigjøringen av lagret karbon er den viktigste drivkraften bak menneskeskapte klimaendringer. Et økosystem som tar opp mer karbon enn det slipper, er et karbonsluk; et som slipper mer ut, er en karbonkilde.

Nitrogenet -- rikelig, men låst

Nitrogen er essensielt i aminosyrer, proteiner og nukleinsyrer. Paradokset er at atmosfæren består av 78 % nitrogengass ($\text{N}_2$), men denne formen er utilgjengelig for nesten alle organismer. Nitrogenkretsløpet handler om å låse opp dette nitrogenet og føre det videre.

Det skjer i fem trinn. Ved nitrogenfiksering omdanner bakterier (som Rhizobium i belgvekstenes rotknoller) $\text{N}_2$ til ammonium ($\text{NH}_4^+$); industrielt gjør Haber-Bosch-prosessen det samme for kunstgjødsel. Ved nitrifikasjon oksiderer bakterier ammonium først til nitritt ($\text{NO}_2^-$, av Nitrosomonas) og så til nitrat ($\text{NO}_3^-$, av Nitrobacter) -- nitrat er den viktigste formen planter tar opp. Ved assimilasjon bygger plantene nitrogenet inn i organiske molekyler, som så føres videre i næringskjeden. Ved ammonifisering frigjør nedbrytere nitrogen fra dødt materiale som ammonium igjen. Og ved denitrifikasjon reduserer anaerobe bakterier nitrat tilbake til $\text{N}_2$ -- de «lukker» kretsløpet ved å returnere nitrogen til atmosfæren.

Mennesket har forrykket dette kraftig. Haber-Bosch-prosessen har doblet mengden reaktivt nitrogen i biosfæren. Avrenning av nitrat fra jordbruk forårsaker eutrofiering -- overgjødsling der algeoppblomstring, etterfulgt av massiv nedbryting som forbruker oksygen, skaper oksygenfrie «døde soner» i innsjøer og kystområder. I tillegg frigjøres lystgass ($\text{N}_2\text{O}$), en drivhusgass nesten 300 ganger sterkere enn CO$_2$, ved ufullstendig denitrifikasjon.

Fosforet -- det trege kretsløpet uten gass

Fosfor er essensielt i DNA, RNA, ATP og fosfolipider. Men fosforkretsløpet skiller seg fundamentalt fra de to andre: det har ingen betydelig gassfase. Fosfor kan ikke fikseres fra lufta -- det sirkulerer bare mellom berggrunn, jordsmonn, vann og levende organismer.

Syklusen er treg og geologisk. Fosfor frigis ved forvitring av fosfatholdige bergarter som apatitt. Løst fosfat ($\text{PO}_4^{3-}$) tas opp av planterøtter, føres videre gjennom næringskjeden, og frigjøres tilbake til jordsmonnet av nedbrytere. Over geologisk tid sedimenteres fosfor på havbunnen og danner nye bergarter. Fordi tilførselen er så lav, er fosfor ofte den begrensende næringsfaktoren i ferskvann -- en liten tilførsel kan utløse store algeoppblomstringer.

Her er en nyttig kontrast mellom nitrogen og fosfor. Nitrogen begrenser ofte marine økosystemer, fordi det tapes raskt gjennom denitrifikasjon i oksygenfattige sedimenter, mens havet har rikelig oppløst fosfat. Fosfor begrenser derimot ferskvann, fordi det er sterkt bundet til jordpartikler og berggrunn slik at lite løses naturlig. Forskjellen skyldes altså ulike geokjemiske prosesser. Menneskelig påvirkning kommer fra fosfatgruvedrift for kunstgjødsel og avrenning som gir eutrofiering. Og fosfor er en ikke-fornybar ressurs -- verdens fosfatreserver kan være uttømt innen 100--300 år, et fenomen kalt «peak phosphorus».

Vannet -- bindeleddet mellom alle kretsløp

Vannkretsløpet kobler sammen alle de andre, fordi vann er transportmediet for næringsstoffene. Det drives av flere prosesser. Fordampning (evaporasjon) løfter vann fra havoverflaten -- rundt 86 % av global fordampning -- innsjøer, elver og fuktig jord. Transpirasjon er når planter trekker opp vann gjennom røttene og avgir vanndamp gjennom spalteåpningene (stomatene); et stort tre kan transpirere flere hundre liter daglig. Til sammen kalles dette evapotranspirasjon.

Vanndampen stiger, avkjøles og kondenserer til skyer, før den faller som nedbør -- regn, snø eller hagl. Noe nedbør renner av på overflaten til elver og hav (avrenning), og noe siver ned i jorda (infiltrasjon) og fyller grunnvannsreservoarer med oppholdstider fra uker til tusenvis av år.

Koblingen til de andre kretsløpene er tett: løst CO$_2$ i regnvann bidrar til kjemisk forvitring av bergarter (frigjør fosfor og kalsium), nitrat og fosfat transporteres med avrenningen, og erosjon frakter partikler med bundne næringsstoffer til nye områder. Klimaendringer påvirker vannkretsløpet gjennom økt fordampning ved høyere temperatur, endrede nedbørsmønstre med mer intens nedbør og lengre tørke, og smelting av isbreer og permafrost.

Oppsummering

Vi har fulgt atomene som sirkulerer gjennom liv og død. I motsetning til energi kan næringsstoffene resirkuleres i biogeokjemiske kretsløp. Karbonkretsløpet: fotosyntese binder CO$_2$, celleånding og nedbryting frigjør det, og mennesket har økt atmosfærisk CO$_2$ gjennom fossilt brensel. Nitrogenkretsløpet har fem trinn -- fiksering, nitrifikasjon, assimilasjon, ammonifisering og denitrifikasjon -- og menneskelig overgjødsling gir eutrofiering.

Fosforkretsløpet mangler gassfase, er tregt, begrenser ofte ferskvann, og fosfor er en ikke-fornybar ressurs. Vannkretsløpet -- fordampning, transpirasjon, kondensasjon, nedbør, avrenning og infiltrasjon -- binder alle kretsløpene sammen som transportmedium for næringsstoffer, og påvirkes sterkt av klimaendringer.