Sedan slutet av andra världskriget har det skett en fördubbling av mängden kväve som cirkulerar globalt. Anledningen är framför allt användningen av handelsgödsel i jordbruket som har gjort det möjligt att producera mat för jordens växande befolkning. Men ett stort problem är läckaget av kväve med negativa konsekvenser för miljö och klimat, säger Sara Hallin, professor i markmikrobiologi vid Sveriges lantbruksuniversitet.

— Det läcker ut en massa kväve som hamnar på ställen där vi inte vill ha det: i vatten och uppe i luften som lustgas.

Övergödningen är ett hot mot den biologiska mångfalden och klimatet påverkas negativt av en ökad mängd växthusgaser.

Det pågår forskning om hur man kan minska mängden handelsgödsel genom att effektivisera jordbruket, till exempel genom att introducera andra grödor eller förfinade odlingsmetoder.

Men det kan också finnas andra strategier för att angripa problemet, som att kartlägga kvävets kretslopp på djupet.

– Nyckeln till en ökad förståelse finns i marken. Av de totala lustgasutsläppen står mikrobernas produktion i marken för nästan 60 procent, konstaterar Sara Hallin.

I markens ekosystem pågår ett intrikat samspel mellan olika kvävetransformerande mikrober. De ägnar sig både åt samarbete och konkurrens. Och det är dessa processer som påverkar hur mycket kväve som blir kvar i marken och hur mycket som försvinner till luft och vatten i form av lustgas och kvävgas.

Oväntad upptäckt

Länge fanns en bestämd bild av kvävets kretslopp, men de senaste 30 åren har flera nya processer och organismer upptäckts. För drygt tio år sedan gjorde Sara Hallin och hennes kollegor en oväntad upptäckt av nya organismer i marken med förmåga att reducera lustgas.

– De hade aldrig studerats tidigare, men visade sig vara jättevanliga överallt.

Detta fynd är ett exempel på att kvävets kretslopp är mer komplext än vad man tidigare hade trott.

Hallins forskargrupp använder molekylära tekniker, genetisk information och nya analysmetoder för att kartlägga nätverk av mikrober i markekosystem. De samlar in data från många delar av världen, bland annat arktisk tundra, boreal skog, öknar, savanner och jordbruksmark.

Genom att analysera ett stort antal DNA-sekvenser från de olika markekosystemen hoppas forskarna att det ska bli möjligt att identifiera och isolera fler okända mikrober och processer som bidrar till kvävets omvandling.

– Vi kommer att öppna nya forskningsspår om okända organismer och processer.

Bland annat vill forskarna ta reda på hur vanligt det är att mikrober är specialiserade på specifika reaktioner i kvävets kretslopp, och de vill undersöka hur samarbetet ser ut mer i detalj.

Simulerar klimatet

En del av forskningen går ut på att göra experiment i laboratoriemiljö, berättar Sara Hallin.

– Vi har möjlighet att köra småskaliga försök i klimatkammare. I källaren här i Ultuna finns fina anläggningar där vi kan odla växter och simulera olika klimat.

Genom att slå ut vissa grupper av mikrober och observera hur nya samarbeten uppstår eller förändras, hoppas hon att det ska bli lättare att förstå de mekanismer som styr kväveomsättningen.

Sara Hallin vill också se hur mikrobernas nätverk påverkas av olika stressförhållanden. I labbet kan man till exempel simulera intensiv torka följt av regn. Syftet är att förstå hur extremväder påverkar mikroorganismernas funktion och överlevnad.

Nyckeln till en ökad förståelse finns i marken. Av de totala lustgasutsläppen står mikrobernas produktion i marken för nästan 60 procent

Den egentliga stressen orsakas inte av torkan, utan när regnet kommer.

– Under torrperioden ökar salthalten i cellen, och sedan när det blir blött igen uppstår en skillnad på salthalten i cellen och miljön utanför, och då kan cellen gå sönder.

Forskningen är av stort intresse eftersom mycket tyder på att de negativa effekterna av kväveföroreningar kommer att accelerera i takt med klimatförändringarna, särskilt på grund av fler och mer extrema torrperioder i kombination med mer nederbörd.

I klimatdebatten hamnar fokus ofta på kolets kretslopp, men det är viktigt att även titta på kvävets kretslopp, menar Sara Hallin. Faktum är att förändringar i kvävecykeln också påverkar kolets kretslopp, till exempel kolets inlagring i marken.

Effektivare jordbruk i framtiden

Än så länge handlar det om grundforskning, men i framtiden kan resultaten leda fram till spännande tillämpningar. Förhoppningen är att det ska gå att ta fram åtgärder som effektiviserar jordbruket och minskar den negativa påverkan på ekosystemen.

En idé är att stimulera mikroorganismer som minskar utsläppen av lustgas och som bidrar till att kväveutnyttjandet i marken ökar.

– Redan idag finns mikroorganismer som kan reducera utsläpp av lustgas och vi skulle vilja hitta fler av dem och beskriva dem bättre. Och möjligtvis finns det också en annan process som kan plocka bort lustgas från atmosfären. Det är en enorm utmaning, men också en fantastisk möjlighet att verkligen göra skillnad, säger Sara Hallin.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström