Paradoks: Fritlevende, N-fikserende bakterier kan ikke fiksere N

Det lyder besnærende med ekstra kvælstof til korn og majs fra fritlevende bakterier, men forskere bestrider, at det er muligt i mængder, der er agronomisk relevante.

Af Morten Winther Vestenaa

Der markedsføres produkter med fritlevende, N-fikserende bakterier, der hævdes at have gødningsmæssig relevans i landbrugsafgrøder. Det strider dog mod agronomisk og biologisk videnskab, at det skulle være tilfældet. I en artikel i Plant and Soil rejser førende forskere i kvælstoffiksering en hård faglig kritik af markedsføringen. Forskerne peger på flere forhold, der gør det usandsynligt, at fritlevende, N-fikserende bakterier har gødningsvirkning i landbrugsafgrøder. Her gengives 3 af argumenterne.

Energiargumentet: Spaltning af frit kvælstof kræver energi

Symbiosen mellem N-fikserende bakterier i rodknolde og visse plantearter er kendt. Symbiosen er en handel, der tilgodeser begge parter. Bakterierne får energi fra planten, som til gengæld får kvælstof.

Bakterierne har brug for meget store mængder energi for at drive N-fikseringen. Kvælstof i luften omkring os (N2) består af to kvælstofatomer, der er stærkt bundet. At det kræver store mængder energi at åbne bindingerne, understreges af, at industriel produktion af gødningskvælstof alene lægger beslag på 2 pct. af verdens samlede energiproduktion.

Det er grunden til, at N-fikserende bakterier findes inde i plantecellerne. Her har de adgang til sukker- og fedtstoffer, hvilket ikke er tilfældet for fritlevende, N-fikserende bakterier, der lever mellem planteceller, i døde planteceller eller på overfladen af blade.

Iltparadokset: Spaltningsenzymet tåler ikke ilt

Nitrogenase er det enzym i bakterier, som tager kvælstof ud af luften. Enzymet har brug for store mængder energi, men tåler ikke ilt. Ilt er derimod nødvendig for omdannelsen af sukker og fedt til energi ved respiration. Enzymet kan altså ikke tåle ilt, men er afhængig af en respiration, som kræver ilt. Det er et paradoks.

Evolutionens svar på dette paradoks er rodknolde. Uden om rodknoldene har planter og bakterier sammen udviklet et lag, som forhindrer ilt i at nå enzymet. For at skaffe ilt til respirationen producerer planten leghæmoglobin, et molekyle der ligner menneskers hæmoglobin og har samme funktion og røde farve. Leghæmoglobin binder ilt og transporterer det ind i rodknolden, hvor det frigives kontrolleret. Leghæmoglobin er årsagen til, at aktive rodknolde er røde, mens inaktive er hvide.

Iltparadokset er ikke løst for fritlevende, N-fikserende bakterier. På bladoverflader, i døde planteceller og mellem planteceller vil der enten være for meget eller for lidt ilt til N-fikseringen.

Knoldbakterier på rødder af hestebønne. Knoldenes farve indikerer, om de er aktivt N-fikserende eller ej. Foto: Maja E. Petersen

Maskinen mangler hovedkomponenten

Der er flere typer N-fikserende bakterier på markedet i Danmark. En af dem er af typen Methylobacterium symboticum, som sælges under navnet Blue-N. Nitrogenase er den centrale mekanisme i N-fiksering og skal være funktionsdygtig, hvis der skal være mulighed for kvælstoffiksering. Gensekvenser af bakterien viser sig dog at mangle essentielle dele af nitrogenaseenzymet. Det betyder, at den type bakterie ikke er i stand til at fiksere kvælstof.

Hvordan kommer vi videre?

Det vil være fantastisk, hvis man kan knække den biologiske kode, der kan få N-fiksering til at fungere sammen med korn, majs og andre afgrøder. Mange forskningsmiljøer har i mange årtier arbejdet på netop dette, og løsning af den kode forventes at kunne kaste en Nobelpris af sig. Specielt vil det kunne give et løft i økologien, hvor kvælstof mange steder er udbyttebegrænsende.

Forskerne anviser i artiklen, hvilken dokumentation der er nødvendig for at kunne sandsynliggøre, at fritlevende N-fikserende bakterier kan have en gødningsvirkning. Der skal være dokumentation for:

At bakterien kan fiksere N2, dvs., at den mindst har 1 af 6 gener, som koder for hele nitrogenaseenzymet.
At der er en klar mekanisme, som løser iltparadokset.
At bakterien er til stede i store mængder gennem hele plantens livscyklus.
At der er forhøjet respiration i det væv, hvor kvælstoffikseringen sker.
At behandlede kornplanter udviser robust vækst og forhøjet kvælstofakkumuleringen i et kvælstoffrit medium sammenlignet med ikke-behandlede planter.
At mere end én metode er anvendt til at bekræfte input fra kvælstoffiksering i både drivhus- og markforsøg.