Miksi oppikirjojen typpikierrot ovat vanhentuneita: orgaanisen typen löytäminen

Johdanto: miksi typpikierto on tärkeää

Typpikierto on yksi ekologian ja maatalouden keskeisimmistä käsitteistä. Se kuvaa, miten typpi liikkuuilmakehän, maaperän, kasvien ja mikro-organismien välillä. Perinteisesti oppikirjoissa esitetään, että typpi kulkee läpi useita epäorgaanisia muotoja – ammoniumia, nitraattia, nitriittiä – ennen kuin kasvit voivat ottaa sen talteen.

Viimeaikaiset löydökset ovat kuitenkin osoittaneet, että tämä yksinkertaistettu kiertokuva on puutteellinen. Marcus Wallenberg -palkinnon saaneen ruotsalaisen tutkijan Torgny Näsholmin uraauurtavan tutkimuksen ansiosta tiedämme nyt, että kasvit voivat ottaa orgaanista typpeä suoraan maaperästä aminohappojen, kuten glysiinin ja arginiinin, muodossa.

Tämä muuttaa käsitystämme maaperän hedelmällisyydestä, ekosysteemien mallintamisesta ja jopa kestävästä maataloudesta.

Mitä oppikirjoissa on väärin typen osalta

Lähes jokaisessa biologian tai maatalouden oppikirjassa typpikierto esitetään seuraavasti:

1. Mikrobit muuttavat ilmakehän typpeä ammoniumiksi.

2. Ammonium muuttuu nitraatiksi nitrifikaation kautta.

3. Kasvit ottavat typpeä talteen ainoastaan nitraatti- tai ammoniummuodossa.

4. Denitrifioivat mikrobit palauttavat ilmakehän typpeä takaisin ilmakehään.

Mitä puuttuu? Orgaaninen typpi. Vuosikymmenten ajan oletettiin, että kasvit eivät pysty ottamaan aminohappoja suoraan käyttöönsä, vaan niiden oli odotettava, että mikrobit ”mineralisoivat” orgaanisen aineksen epäorgaanisiin muotoihin.

Näsholmin läpimurto: kasvit ottavat aminohappoja suoraan

Näsholm ja hänen kollegansa kumosivat tämän käsityksen tyylikkäillä merkkiainetutkimuksilla. Ruiskuttamalla isotooppimerkittyjä aminohappoja pohjoisten metsien maaperään he osoittivat, että:

• Puut imivät vähintään 42 % merkitystä glysiinistä muuttumattomana.

• Ruohot imivät 64 %.

• Pensaat sitoivat 91 %.

Tämä osoitti, että kasvit voivat ottaa aminohappoja suoraan käyttöön ilman mineralisaatiota. Myöhemmät tutkimukset vahvistivat muiden aminohappojen, kuten arginiinin, imeytymisen eri ekosysteemeissä. Arginiinin imeytyminen juurien kautta on selvästi suurinta verrattuna muihin aminohappoihin. Se on kasvien ensisijainen orgaanisen typen lähde.

Tämä havainto osoitti, että perinteinen typpikierto oli puutteellinen ja että oppikirjoissa oli jätetty huomiotta merkittävä typpikierto.

Miksi tämä on tärkeää tieteen ja maatalouden kannalta

1. Ekosysteemien mallintaminen

Orgaanisen typen otto muuttaa tapaa, jolla mallinnamme ravinnevirtoja metsissä, niityillä ja maatalousmailla. Kasvit ja mikrobit eivät kilpaile pelkästään epäorgaanisesta typestä, vaan ne myös jakavat tai kilpailevat aminohapoista.

2. Maatalous ja lannoitteiden tehokas käyttö

Soijapavut ja muut palkokasvit saavat typpeä juurimukuloiden kautta. Suuret synteettisten lannoitteiden määrät estävät juurimukuloiden muodostumista. Sen sijaan arginiinivalmisteiden (esim. Arevo®) kaltaiset aminohappopohjaiset lannoitteet toimittavat typpeä ei-mikrobiologisessa, ei-kilpailevassa muodossa, jota kasvit voivat ottaa talteen samalla kun juurimukuloiden toiminta säilyy.

3. Ilmastonmuutoksen sietokyky

Kuivissa maaperissä nitraattien liikkuvuus heikkenee ja mikrobien suorittama mineralisaatio hidastuu. Orgaanisen typen käyttö mahdollistaa kasveille vakaa typpilähde jopakuivuusstressin vallitessa, mikäparantaa niiden sietokykyä.

Päivitetty typpikierron malli

Nykyaikaisen typpikierron on sisällettävä:

• Ilmakehän sitoutuminen → ammonium → nitraatti -reaktioketjut (perinteinen malli).

• Palkokasvien symbioottinen typpisidonta.

• Orgaaninen typpivarasto (aminohapot, peptidit).

• Aminohappojen suora imeytyminen kasviin ilman mineralisaatiota.

Tämä päivitetty näkemys kuvaa maaperän, kasvien ja mikro-organismien välisten vuorovaikutusten todellista monimutkaisuutta ja tunnustaa Näsholmin paradigmanmuutoksen aiheuttaneen löydön.

Usein kysyttyjä kysymyksiä päivitetystä typpikierrosta

1. Ovatko kaikki kasvit kykeneviä ottamaan aminohappoja suoraan käyttöönsä?
   Kyllä, tutkimustulokset osoittavat, että aminohappoja otetaan käyttöön niin puissa, ruohoissa, pensaissa kuin viljelykasveissakin, vaikkakin tehokkuudessa on eroja.

2. Miksi tätä ei ole aiemmin mainittu oppikirjoissa?
   Käsite ei saanut laajaa hyväksyntää ennen kuin 1990-luvulla tehdyt merkkiainekokeet toivat sille todisteita.

3. Tarkoittaako tämä, että keinolannoitteet ovat tarpeettomia?
   Ei täysin – mutta se tarkoittaa, että orgaaniset typpilähteet voivat olla tärkeämpiä kestävän ravinteiden hallinnan kannalta.

4. Mitä aminohappoja on tutkittu eniten?
   Glysiiniä ja arginiinia on tutkittu laajasti, mutta kasvit ottavat todennäköisesti itseensä monenlaisia aminohappoja.

5. Miten tämä löytö auttaa viljelijöitä?
   Se avaa tien uusille lannoitusstrategioille (kuten aminohappopohjaiselle ravitsemukselle), jotka täydentävät mikrobeja sen sijaan, että kilpailevat niiden kanssa.

Johtopäätös: typpikierron uudelleenmäärittely

Torgny Näsholmin tutkimus on pakottanut tutkijat piirtämään uudelleen yhden ekologian perustavanlaatuisimmista kaavioista. Oppikirjoissa esitetty typpikierto on puutteellinen ilman orgaanisen typen ottoa. Tunnustamalla aminohapot suoraksi ravinteiden lähteeksi saamme tarkemman kuvan ekosysteemeistä ja avaamme uusia mahdollisuuksia kestävälle maataloudelle.

Viitteet ja lähteet

• Näsholm, T. ym. (1998). Boreaalisen metsän kasvit ottavat talteen orgaanista typpeä. Nature, 392, 914–916.

• Näsholm, T. ym. (2009). Kasvien orgaanisen typen otto – Tansley Review. New Phytologist, 182(1), 31–48.

• Persson, J. ym. (2006). Kasvien orgaanisen ja epäorgaanisen typen otto, aineenvaihdunta ja jakautuminen. Journal of Experimental Botany, 57(11), 2651–2661.

• Salvagiotti, F. ym. (2008). Soijapavun typpienotto, typpisidonta ja reaktio lannoitetyppeen: katsaus. Field Crops Research, 108(1), 1–13.

• Marcus Wallenberg -palkinto. (2007). Palkinto Torgny Näsholmin kasvien typpiensaannin tutkimuksista.