Hakukohde: Elintarviketieteet

Transkriptio

1 Hakukohde: Elintarviketieteet Mallivastaus 1 Miten elävien organismien synty muutti typen kiertoa maapallolla? Alkutilanne Planeetan muodostuessa typen oletetaan tulleen protoplaneetalle kiinteänä ammoniakkijäänä (NH 3), aminohappoina ja yksinkertaisina yhdisteinä. Pelkistyneet typen muodot/yhdisteet (NH 3, NH 4+ ) reagoivat maapallon vaipan ylemmissä kerroksissa siirtymämetalien kanssa muodostaen typpikaasua, joka vapautui sitten ilmakehään tulivuorenpurkauksissa. Typpimonoksidia muodostui salamoinnin ja meteoriittitörmäysten johdosta ja se hapettui nitraatiksi ja nitriitiksi. Nitraatti, nitriitti ja typpikaasu pystyivät edelleen pelkistymään ammoniumioniksi korkeissa lämpötiloissa raudan läsnäollessa. Pieneliöiden toiminnasta alkoi typpikierto, jolla on luonnollinen palaute. Tämä luonnollinen palaute oli paljon nopeampi kuin abioottisessa kierrossa. Esimerkiksi ravinteiden ja hiilen virtaus biosfäärissä kasvoi moninkertaiseksi. Happeatuottamaton fotosyhteesi Maapallon varhaiset eliöt saivat energiansa todennäköisesti kaasumaisesta vedystä joskin primäärituotanto oli hyvin heikkoa vedyn rajallisuuden vuoksi. Evoluution alkuvaiheessa happea tuottamaton fotosynteesi käytti auringon energiaa mm. vedyn ja rikkisulfidin hapettamiseen. Anoksigeeniset fototrofit kasvattivat ravinteiden ja hiilen virtausta biosfäärissä jopa satakertaiseksi. Typen rajallinen saatavuus ajoi ilmeisesti evoluutiota typensidontaan. Typensidontakyky kehittyi evoluution varhaisvaiheissa bakteereihin kuuluvissa anaerobisissa fotoautotrofeissa. Valtameriin oli tuolloin kerääntynyt runsaasti rautaa. Evoluution kautta typensidontaan kykeneville eliöille muodostui nitrogenaasia koodaavat geenit. Nitrogenaasientsyymikompleksit tarvitsevat rautaa ja vanadiinia taikka molybdeenia. Koska molybdeeniä oli niukalti ja toisaalta rautaa runsaasti oli ilmeistä että rautaa hyödyntävä nitrogenaasientsyymi oli aluksi vallitseva. Tehokkaampi Mo-muoto kehittyi myöhemmin ( miljoonaa vuotta sitten). Happea tuottava fotosynteesi Typenkierto lienee syntynyt ennen syanobakteerien happea tuottavaa fotosynteesiä. Molekulaarinen happi on kuitenkin ollut välttämätön aine nitraatin biologisessa tuotannossa ja aerobisessa nitrifikaatioprosessissa, joten nykyinen typen kierto kehittyi vasta tämän jälkeen. Fotosynteesin kehityttyä primäärituotanto kasvoi merkittävästi ja se vaikutti myös typenkiertoon, joka tosin oli jo tuolloin nykyisen kaltainen

2 Mallivastaus 2 Miten dityppioksidi N 2O liittyy nykyiseen typenkiertoon? Hapellisissa olosuhteissa tietyt bakteerit ja arkit hapettavat pelkistyneen typen (mm. NH4 + ) ensin hydroksyyliamiiniksi ja edelleen nitriitiksi ja nitraatiksi. Välivaiheena tässä prosessissa syntyy dityppioksidia, joka toimii kasvihuonekaasuna. Kemotrofiassa (valon puuttuessa) mikrobit käyttävät ammoniumin ja nitriitin hapettuessa vapautuvat elektronit ja protonit epäorgaanisen hiilen sitomiseen. Tällöin sivutuotteena syntyy dityppioksidia (N 2O). Vesistöissä ja maanpinnalla tapahtuva ammoniumin ja nitriitin hapettaminen nitraatiksi (nitrifikaatio, typpiyhdisteiden aerobinen hapettuminen)) on yksi tärkeimmistä ilmakehän dityppioksidin (N 2O) lähteistä, Nitrifikaation yksi välivaihe johtaa dityppioksidin muodostumiseen. Hapettomissa olosuhteissa denitrifikaatioprosessissa (nitraatti->nitriitti->typpioksidi->typpikaasu) syntyy pääosin typpeä mutta myös pieniä määriä dityppioksidia. Maanviljelys vapauttaa noin neljänneksen vapautuvasta dityppioksidista. Typen normaalin kierron häiriintymisen uskotaan näkyvän myös dityppioksidin pitoisuuden kasvuna. Sitoutunut typpt kulkeutuu jokiin ja sitä kautta rannikoille. Tällöin rannikkoalueiden happikadon laajetessa yhtä suurempia määriä dityppioksidia (N 2O) haihtuu ilmakehään.

3 Mallivastaus 3. Mitä Kuva 4 ja teksti kertovat nykyajan typenkierron typpivirtausten nopeuksista ja typpivarastojen muutoksista? Nykyään typen primäärituotanto on yhtä suurta maan päällä ja vesistöissä, noin 4x10 15 mol/vuosi. Ennen teollistumista luonnollinen typenkierto oli samaa koko luokkaa maalla ja merellä. Tänä päivänä maanpäällisessä typpikierrossa denitrifikaatio ja typensidonta ovat jokseenkin tasapainossa. Maalta kulkeutuu kuitenkin typpeä mereen jokia pitkin sekä karkaa ilmakehään kaasumuodossa (NO x, NH 3 ja N 2O) ja kulkeutuu sieltä meriin. Valtamerissä denitrifikaatio on nopeampaa kuin typensidonta ja typen kulkeutuminen meriin maanpinnalta yhteensä, joten järjestelmä ei ole tasapainossa. Hapen saanti säätelee denitrifikaatiota. Kun veden happipitoisuus on pieni, denitrifikaatiota esiintyy paljon (rannikon sedimentit, itäinen trooppinen Tyynimeri, Lounais-Afrikka ja Arabianmeri). Typensidontaa tapahtuu lähinnä pohjoisen pallonpuoliskon trooppisilla ja subtrooppisilla alueilla, jossa on biologisesti käytettävää rautaa saatavilla. Laskennallisesti nykyisissä valtamerissä on noin 2 mmol/l:n nitraatin (NO 3- ) vajaus, mikä kuvaa typensidonnan ja denitrifikaation välistä epätasapainoa. Ihmisen vaikutus typpikiertoon alkoi 1900-luvulla: alettiin valmistaa typpilannoitteita (NH 4+ ), otettiin käyttöön uusia viljelymenetelmiä satojen kasvattamiseksi (vuoroviljely/palkokasvit) ja ruvettiin käyttämään fossiilisia polttoaineita. Palkokasvit sitovat typpeä noin 2,4x10 12 mol/vuosi. Haber-Bosch-prosessin avulla tuotetaan 9,5x10 15 mol NH 4+ :a ja fossiilisten polttoaineiden polttamisesta syntyy 1,8x10 12 mol. Ihmisen toiminnan aiheuttama typensidonta maanpinnalla on kaksinkertainen luonnolliseen verrattuna ja se tuottaa 45% Maapallon vuotuisen sitoutuneen typen määrästä. 1,0p Viljelykasvit pystyvät kuitenkin hyödyntämään vain vajaan 40% typpilannoitteiden typestä. Suurin osa joko huuhtoutuu NO 3- :na pois tai haihtuu ilmakehään denitrifikaatiossa. Nitraatin valuminen vesistöihin ja pohjavesiin aiheuttaa typpihävikin lisäksi rannikoiden rehevöitymistä ja hapettomien vyöhykkeiden syntymistä eri puolille maailmaa. Hapettomissa olosuhteissa (märkä maaperä,vesistöt) syntyy denitrifikaation seurauksena paitsi typpeä myös N 2O:a, josta osa haihtuu ilmakehään. N 2O on kasvihuonekaasu, joka lämmittää 300 kertaa tehokkaammin kuin CO 2. N 2O tuhoaa myös stratosfäärin otsonia reagoidessaan sen kanssa. Maanviljelys tuottaa noin neljänneksen N 2O:n kokonaispäästöistä.

4 Mallivastaus 4. Mitä tietoa on saatu tutkimalla typen eri isotooppeja? Typen stabiileja isotooppeja tutkimalla saadaan tietoa typen denitrifikaatioprosessista ( nitraatti- ja nitriittitypen vapauttaminen typpikaasuksi) sekä anaerobisesta ammoniumtypen hapettumisesta (ja nitriitin pelkistymisestä). Nämä kaksi prosessia ovat typpikierron viimeinen vaihe, jossa typpi palaa takaisin ilmekehään typpikaasuna (N 2). Typen palautuminen ilmakehään typpikaasuna sisältää vesiympäristössä nämä kaksi prosessia, denitrifikaatio että anammox-prosessit, jotka johtavat typen kahden stabiilin isotoopin fraktioitumiseen. Typen isotoopeista kevyempi, 14 N eli typpi-14, jakautuu ensisijaisesti typpikaasuun (N 2) kun taas typen raskaampi isotooppi, typpi-15 eli 15 N-isotooppi, jää runsaammin typen sidottuihin epäorgaanisiin pooleihin. Myöhäisarkeeisen kauden (aikakausi noin 2,7 miljardia vuotta sitten) maaliuskenäytteistä tehdyissä isotooppianalyyseissä on havaittu orgaanista ainesta, joka sisälsi runsaasti typpi-15-isotooppia. Tämän katsotaan viittaavan siihen, että joko anaerobinen ammoniumtypen hapettuminen tai klassinen denitrifikaatio (nitraatti- tai nitriittitypen vapautuminen typpikaasuna) olivat osa typpikiertoa. Koska nämä prosessit edellyttivät typen aktiivista tuotantoa nitrifikaation (ammoniumtypen muuntuminen nitraati- tai nitriittitypeksi) kautta, pääteltiin valtamerten pintakerroksissa esiintyneen sekä molekulaarista happea (O 2 ) että täydellinen typenkierto jo useita satoja miljoonia vuosia ennen ilmakehän laajaa hapen määrän kasvua.

5 Mallivastaus 5. Miten ihminen on vaikuttanut typen kiertoon ja minkälainen typen kierto voisi tulevaisuudessa olla? Ihmisellä on ollut suuri vaikutus typen kiertoon sen jälkeen, kun nykyinen typpikierto kehittyi 2,5 miljardia vuotta sitten. Eniten ovat vaikuttaneet typpilannoitteiden käyttöönotto, palkokasvien käyttöönotto vuoroviljelyssä sekä fossiilisten polttoaineiden käyttämisen aloittaminen. Ihmisen aiheuttama typpikierron häiriintyminen (typpilannoitteet) on johtanut makean veden alueiden ja rannikkoalueiden rehevöitymiseen ja haitallisen kasvihuonekaasun, dityppioksidin pitoisuuden kasvuun ilmakehässä Todennäköisesti luonnollisen palautteen (pieneliöprosessien) seurauksena tulevaisuudessa syntyy uusi tasapaino, jolloin ihmisen toimintojen aiheuttama ylimääräinen typpi ei enää kerry maaperään tai vesistöihin, vaan poistuu samalla nopeudella kuin syntyykin. Tasapainon syntymiseen voi kulua useita vuosikymmeniä. Jotta maapallon edelleen kasvava väestö kyetään ruokkimaan, sidotun typen tarve kasvaa. Tällöin myös riski suurten typpimäärien kulkeutumiseen jokia pitkin rannikoille kasvaa ja sen seurauksena uhkaa rannikoiden rehevöityminen, happikato, veden laadun heikkeneminen ja lisääntyvä N 2O:n haihtuminen ilmakehään. 1,0p Tilanteen parantamiseksi typen käyttöä voidaan vähentää ja tehostaa soveltamalla uusia menetelmiä ja käyttämällä vanhoja hyväksi todettuja kestäviä menetelmiä. Tällaisia ovat mm. (a) systemaattinen kiertoviljely (palkokasvien vuoroviljely), (b) lannoitteiden määrän ja lannoituksen ajankohdan optimoiminen niin, että lannoitteista saadaan paras hyöty, (c) sellaisten viljelykasvien jalostaminen ja kehittäminen, jotka kykenevät käyttämään typpeä tehokkaasti (d) sellaisten viljelykasvien jalostaminen, joilla on kyky tuottaa nitrifikaatiota estäviä entsyymejä ja (e) vilja- ja viljelykasvien kehittäminen, jotka ovat endosymbioottisessa suhteessa typpeä sitovien bakteerien kanssa. Muutoksia ajavat myös ns. markkinavoimat, sillä typpilannoitteiden hinnat kasvavat jatkuvasti ja lannoitteiden ympäristövaikutukset edellyttävät typen käytön tehostamista maanviljelyksessä.