Vallda april 2001
Bonden och kvävet
Jordbruket har tvingats till kostsamma åtgärder för att minska läckaget av kväve från åkrar och ladugårdar. Särskild "miljö"skatt har lagts på handelsgödsel med samma mål i sikte. Kraven på minskade kväveutsläpp grundas på uppfattningen att sådana utsläpp skulle vara skadliga för vattenekosystemen där de påstås orsaka s.k. övergödning. En miljömålskommitté har nyligen till och med föreslagit nedläggning av "kustnära" jordbruk i Halland.
Den vetenskapliga termen för övergödning är eutrofiering, ett ord med grekiskt ursprung där "eu-" egentligen betyder "äkta" eller "god" och trofi betyder "närande" jmf eufoni = välljud. Ett annat ord förstärkt med "eu-" som vi kan hitta i ordlistan är "eubuli" = förnuftigt övervägande. Det är just vad debatten om kvävet och eutrofiering kunde må bra av.
Eutrofiering är inte något givet negativt, motsatsen, oligotrofiering, är knappast eftersträvansvärt, vi vill ju ha de naturliga miljöerna så biologiskt produktiva som möjligt. Det är endast när eutrofiering leder till direkt skadliga konsekvenser som den behöver bromsas. Vi kan ta Östersjon som exempel. Östersjön var till mitten av 1900-talet ett extremt näringsfattigt inlandshav. Det för planktonväxterna i alla vatten begränsande naringsmineralet fosfor fanns i så låga koncentrationer att vattenutbytet via Öresund och Bälten medförde att det skedde en nettotranport av fosfor från Kattegatt/Skagerack till Östersjön. Efter 1950 har förhållandena ändrats så att numera c:a 10 gånger så mycket fosfor istället transporteras ut från Östersjön. Resultatet av denna förändring i Östersjöns tillstånd blev en kraftig ökning av torskbeståndet, så kraftig att Bohusläns fiskare övergav sina traditionella fiskeplatser och gav sig in i Östersjön med sina trålar. Så långt var alltså eutrofieringen av godo, vad man sedan började oroa sig för var att den ökade biologiska omsättningen kunde leda till oönskade effekter i ekosystemet, främst ökad risk för syrebrist i djupare vattenlager. Östersjön har svag vattenomsättning, tiden för totalt utbyte med världshavet är c:a 30 år, för vattnet i djuphålor kan det bli ännu längre utbytestider och där kan därför syrebrist uppstå när organiskt material sjunker ned från det produktiva ytskiktet. Även om det är långt till katastrof i Östersjön så finns det anledning att se med viss oro på utvecklingen. Den viktiga frågan är då vilken är den rätta åtgärden. Den officiella svenska inställningen är att kväveutsläppen skall begränsas. Det är dessvärre en förlegad idé.
Med ursprung i en amerikansk forskarrapport 1971 uppstod under 1970-talet en skola inom främst marinbiologin som hävdade att haven till skillnad från insjöarna inte hade fosfor som begränsande ämne utan istället kväve. När man alltså fruktade negativa eutrofieringseffekter i Östersjön och i västkustens vattenområden (t.ex. Laholmsbukten) trodde man enligt denna skola att det var kväveutsläppen som man skulle bekämpa. Kväveteorin upphöjdes i Sverige, särskilt efter larmet från Laholmsbukten 1980, till norm och forskningen inrättades efter detta. Kritik fanns men forskningsanslagen gick helt till kväveteorins anhängare.
Utomlands såg det annorlunda ut. Visst fanns det forskare som fortsatte i spåren av uppsatsen från 1971 men principiellt viktig kritik kom samtidigt fram. I Kanada pågick under 1970- och 1980-talen omfattande eutrofieringsforskning med hela sjöar som experimentverktyg under ledning av D. Schindler. Schindler, som för övrigt var den förste att erhålla Stockholm Water Prize, visade övertygande att den metod, som använts för att visa att kväve var det begränsande ämnet, ledde till felaktiga slutsatser. Sjöar, som med kväveteorins metod skulle ha förklarats ha en av kväve begränsad bioproduktion, visade sig genom helsjöexperimenten i verkligheten vara fosforbegränsade.
Kväveteorins anhängare i Sverige försvarade sig efter detta med att vad Schindler visat gällde sjöar och i havet var det annorlunda. Vad Schindler visat var emellertid inte i första hand vilket ämne som var begränsande i ett visst område utan att den använda metoden varit felaktig. En felaktig metod blir inte riktig bara för att den tillämpas på havsvatten istället för på sötvatten!
Litet förenklat kan man säga att forskarna som skrev rapporten 1971 råkade glömma något som man egentligen lärde sig i lågstadiet - man kan inte minska äpplen med päron. De två forskarna gjorde felet att mäta mängden kväve per volymsenhet, det vi dagligt tal kallar kvävehalt, men drog slutsatser om tillgången på kväve per tidsenhet. Halten visar bara ett tillfälligt buffertlager, som visserligen kan utnyttjas vid svackor i tillförseln, men som under en längre tidsperiod saknar betydelse för produktionens storlek. Enklast förklaras detta med en liknelse från industrivärlden.
En industri tillverkar en produkt av tre imponerade råvaror. Råvarorna förvaras tillfälligt i ett lagerhus. Hur stort lager man vill hålla beror på hur väl man vill gardera sig mot eventuella störningar i transportledet. Var och en inser genast att det är transportkapaciteten som i det långa loppet avgör fabrikens produktion, inte lagrets storlek. Men när man mäter halten av ett näringsämne i ett vattenområde, och från en sådan mätning bedömer området kapacitet att producera biomateria, så gör man just det fel som den gör som tittar på mellanlagret för att bedöma fabrikens produktion. Observera den stora skillnaden, lagrets storlek anger vi bara som mängd i lokalen, en volymsenhet, medan transportkapaciteten alltid mäts i mängd under en viss tidsenhet liksom också produktion anges per dag, månad, år..
Vi kan nu gå ett steg vidare och låta de tre lastbilarna i bilden representera tre nödvändiga grundämnen för bioproduktionen i vattenområden, nämligen kol (karaktärsämnet i alla organiska ämnen), kväve (som bl.a. ingår i äggviteämnen) och fosfor (bl.a. ingående i de enzym som sköter energiomsättningen i cellerna).
De kemiska beteckningarna för dessa tre är C, N och P.
Eftersom produkten, levande celler, inte kan existera utan att alla tre ämnena finns att tillgå, så räcker det naturligtvis att transporten av ett av ämnena fallerar för att produktionen skall upphöra. Det är detta som avses med begreppet "begränsande ämne.
Eftersom fosfor är hårt bundet i mineralpartiklar och endast långsamt kan läcka ut vattnet var det från början naturligt för sötvattensbiologerna att inrikta sig på studier av fosfor som eventuellt begränsande ämne. Det är också numera knappast någon som ifrågasätter fosforns roll i sötvattnens bioproduktion. Däremot finns det fortfarande biologer/ekologer som hävdar att kväve är begränsande i havsvatten. Det sker fortfarande, liksom 1971, med hänvisning till låga kvävehalter i ytvattnet Som exempel kan nämnas en rapportering från ett av vetenskapsakademien organiserat seminarium (KVA report 1998:1) (översatt från engelska orginalet): "Kvävebegränsningen i egentliga Östersjön är uppenbar redan på grund av den låga kvoten för oorganiskt NR i ytvattnet över största delen av året". Man har konstaterat att mängderna av N respektive P i vattnet har ett annat förhållande än de har i produkten. Mängden näringskväve vattnet (mängd per volymsenhet!) är proportionellt niindre i förhållande till mängden fosfor, än vad som gäller för organismerna, och detta anser man visa att produktionen (mängd per tidsenhet!) begränsas av kväve.
Redan på 1930-talet började man använda viktskvoten N/P = 7 som standard för dessa två ämnens proportioner i marint plankton. (Egentligen atomkvoten N/P = 16:1. Atomvikten för N är 14, 16 N alltså = 224, atomvikten för fosfor = 31, 224:31=7,23) Även om han inte är den ursprungliga upphovsmannen har denna kvot kommit att förknippas med oceanografen A. Redfield som på 1950- och 1960-talen skrev viktiga arbeten om organismernas inverkan på kemin i vattenområden. För de tre ämnena C, N och P fick vi atomproportionerna 106:16:1 (viktsförhållandena c:a 41:7:1) som standard för diskussioner om nänngsförhållanden i vattenområden.
Vad man upptäckte 1971 var att i vattnen utanför Long Island, New York, uppträdde N och P i halter som hade en kvot N:P betydligt under 7:1. Ur denna upptäckt föddes idéen att kväve var det begränsande ämnet i havsområden. Författarna föreställde sig att vattnets låga innehållskvot N:P visade att tillförseln av av de två ämnena också hade en sådan låg kvot.
Den viktiga frågan är nu: Är en sådan slutsats riktig?
Låt oss återvända till bilden av industrin och dess lagerlokal. Vi föreställer oss att två av råvarorna i tillverkningen är N och P och i produktionen används 7 viktsdelar N för varje viktsdel P. Ägaren har nu upptäckt att han för en låg kostnad kan köpa in N i stora mängder , mer än han behöver. Varje dag får han därför ett överskott av N sin produktionslinje. Detta överskott lyckas han säUa vidare och varje kväll tömmer han därför lagret på N. Den som därefter går in i lagret får intrycket att det istället för överskott är brist på N i produktionen.
Precis detta är vad som sker i Östersjön. Där tillförs N i sådana mängder att kvoten N:P i tillförseln är av storleken 15-20:1 istället för de producerade planktoncellernas 7:1. Och detta är inte något nytillkommet, enligt naturvårdsverkets uppgifter bör det tidigare rentav ha varit ännu större kvoter. Varför uppträder då så låga kvoter i ytvattnet? Jo, vid sidan om planktonproduktionen pågår en bakterieproduktion som också utnyttjar kväve men på sådant sätt att kvävet förvandlas från näringskväve, ammonium och nitrat, till enkelt molekylärt N2, luftkväve, vilket avgår ur vattenekosystemet till atmosfären. Kvävet "säljs vidare". Därför ser vi inte kväve"överskottet" ( som bara är ett överskott ur planktonproduktionens perspektiv, inte ur ekosystemets perspektiv) när vi undersöker halterna (= lagret) och får ett felaktigt intryck av en kvävebrist i förhållande till planktonproduktionens behov. Det är tydligen så att halterna, mängden per volymsenhet, inte kan användas som mått på produktionen, mängden per tidsenhet!
Detta faktum blir kanske ännu klarare genom denna bild av två cisterner som utgör mellanlagret i ett processflöde. I båda fallen gäller att inflödet till cisternerna skall vara lika stort som utflödet genom processen. När det hela startas i det vänstra exemplet rinner det först långsamt genom kranen och vattenytan stiger i cisternen. Då ökar trycket och därmed flödet genom kranen och det fortsätter till dess balans uppnås och lika mycket rinner ut som in. Den nivå som vattnet då har i cisternen är beroende av kranens öppning. Till höger tänker vi oss att öppna en till kran av samma kapacitet. I första ögonblicken rinner det då ut mer än som tillförs och nivån börjar sjunka. Det gör den till dess trycket minskat så mycket att det genom de två kranarna tillsammans rinner ut lika mycket som in. Nu har vi två flöden av samma storlek, tillgången på råvara i processen är densamma i båda fallen. Den som nu mäter innehållet i cisternerna, och drar slutsatsen att det till höger är sämre tillgång på råvara, lurar uppenbarligen sig själv.
Den effekt av eutrofiering som mest nämns är syrebrist i bottenvatten och bottensediment, ofta kopplad till bildning av giftigt svavelväte. Med en grov förenkling brukar detta beskrivas så att närsalter som kommer ut i vattnet ger upphov till växtceller som sedan förbrukar syret i vattnet när de dör och ruttnar. För att kunna diskutera detta på ett mer nyanserat sätt behöver vi fundera över syrets vägar i livsprocesserna.
Under det gångna seklet har kunskapen om fotosyntesen vuxit enormt vilket gör att knappast någon kan gör anspråk på att behärska alla de olika processer som ingår i den. Men för vanliga enkla vardagsresonemang kan den snart tvåhundraåriga enkla bilden av livets grund ändå fungera:
Koldioxid + vatten + energi --> cellsubstans + syrgas
Vad man lätt glömmer bort är att den andra riktningen, nedbytning av cellsubstans tillbaka till enkla oorganiska ämnen, är lika nödvändig för livets bestånd:
Cellsubstans + syrgas --> koldioxid + vatten + energi
Vi själva fungerar enbart som en del av den sistnämnda processen, de gröna växterna representerar båda riktningarna..
Eftersom bildningen av planktonceller (fotosyntes) frigör lika mycket syre som det sedan binds vid nedbrytningen (oxidation) borde det ju egentligen inte behöva uppstå någon syrebrist som följd av stark produktion. Att det ändå sker beror på att fotosyntesen genom sitt ljusberoende (energitillförseln) bara kan äga rum i vattenekosystemens översta lager. Där har fotosyntesen i gengäld vid god ljustillgång ett övertag över ned-brytningen och ytvattnet kommer tidvis att innehålla mer syre än vad man enligt fysikaliska lagar för gasers löslighet i vatten kan vänta sig. Det fysikaliskt bestämda innehållet av syre betecknar vi i miljörapporterna som 100% mättnad. Det är inte ovanligt att stöta på 120% mättnad strax under ytan under ljusa sommardagar även i vatten som inte är speciellt näringsrika. i bohuslänska fågelgödslade hällkar, har jag mätt ända upp till 200% mättnad! Övermättnad innebär att syre, som skulle kunna blandas in i djupare lager, istället avges till luften ovanför vattenytan och vattenekosystemet råkar i syrgasmässig obalans.
Så här vid en första anblick verkar det alltså som om kustvattnens ekosystem inte var speciellt rationellt konstruerade. En inbyggd mekanism som skapar syrgasbrist i vissa delar av systemet verkar inte särskilt förnuftigt. Vanligen brukar ju dock naturen under utvecklingens gång skapa skyddsmekanismer. Det finns anledning att undersöka om inte kustvattnet har någon mekanism som motverkar risken för syrgasbrist.
Förbränning kräver tillgång på syre, det har vi alla klart för oss. Det är inte lika självklart att tänka på andra syrekällor än det fria syret, 02, som uppträder löst i vattnet och är det som mäts vid recipientundersökningar. Nedbrytningen, oxideringen, av organiskt material i det marina ekosystemet kan emellertid ske på tre olika sätt:
1. Molekylärt i vattnet löst syre + cellsubstans --> restprodukt koldioxid
2. Syre från nitrat + cellsubstans --> restprodukt kvävgas
3. Syre från sulfat + cellsubstans --> restprodukt svavelväte
Av dessa tre är de två första mer eller mindre jämställda, ger i stort sett samma energiutbyte och pågår parallellt i systemet så länge det finns oorganiskt kväve att tillgå.. En tidigare vanlig uppfattning att nitratandning bara förekom i syrefattiga vatten har fått överges. Den tredje reaktionen är däremot bunden till miUöer där löst syre saknas, den ger bara bråkdelen i energiutbyte och startar först när de andra möjligheterna är uttömda. Den sker alltså i vatten där löst syrgas inte kan mätas. Vi kallar den miljön anaerob, syrefri, vilket alltså på sätt och vis är oegentligt eftersom där fortfarande sker en oxidation, alltså reaktion med syre. Skillnaden är bara att syret hämtas direkt från sin kemiska bindning med svavel och inte kan mätas på vanligt sätt..
Vid alla tre oxidationsmetoderna är bakterier verksamma, varje metod har sina specialister. De som arbetar i nr I i närvaro av fritt molekylärt syre kallas aeroba. De som arbetar i nr 2, och fungerar både när fritt syre är närvarande och när det saknas, kallas fakultativa anaerober. Bakterierna i nr 3, svavelbakterier, kallas anaerober.
Oxidationen nr 2, vars vetenskapliga namn är denitrifikation, kan alltså äga rum såväl aerob som anaerob miljö. Det utnyttjar man i reningsverk byggda för att avlägsna kväve från avloppsvatten. Våra vanligaste reningsverk är s.k. aktivt-slam verk i vilka man under luftning låter bakterier oxidera avloppsvattnets organiska innehåll. Kväve frigörs då som nitrat, alltså kväve bundet till syre. När man vill avlägsna kväve för man sedan avloppsvattnet, med tillräcklig resthalt av energirikt organiskt material, till dammar utan lufttillförsel. Där fortsätter nedbrytningen med utnyttjande av syret i nitratet och molekylärt kväve, N2, avgår som restprodukt till luften. I princip sker samma i dammar som anläggs som "kvävefallor". De mest effektiva naturliga ekosystemen för återföring av kväve till atmosfären har flodmynningar visat sig vara.
När cellsubstans oxideras enligt process nr 1 frigörs kvävet som ammomum. Ammonium kan vi kalla nitratets motsats, löst i vatten bildar det joner med positiv laddning där 4 väteatomer är bundna till varje kväveatom, kemisk symbol NH4+. Det är en kemisk förening som är energirik och naturen ser alltid till all energi utnyttjas. Specialiserade bakterier utnyttjar ammoniums energi genom all oxidera det till nitrat, kväve bundet till tre syreatomer, N03. Processen kallas nitrifikation.
Här har vi grunden till en mekanism som kan miriska risken för syreobalans genom att syret avgår i gasform till luften ovan vattenytan. vid god tillgång på kväve och stark biologisk aktivitet kan det syre som frigörs vid fotosyntesen istället bindas till kväveatomer och bilda nitrat, för att senare, t.ex. under mulna dagar med liten fotosyntes, kunna utnyttjas för oxidation av cellsubstans.
När man avlägsnar kväve från avloppsvatten gör man det ju i avsikt att minska foto-syntesen i det område där avloppsvattnet släpps ut. Minskad fotosyntes är naturligtvis inte i sig det önskvärda utan förhoppningen är att därmed minska risken för syrebrist det mottagande vattnet. Paradoxalt nog kan resultatet istället bli ökad risk för syrebrist och ökad risk för att systemet går mot det läge där sulfatsyret är det enda som återstår och bildning av svavelväte sätter igång. Om det är så all kväve inte är begränsande för fotosyntesen i vattnet, kommer ju resultatet av kväveavlägsnandet att bli oförändrad fosforbegränsad fotosyntes men samtidigt mindre kväve tillgängligt för bildande av en nitratsyrereserv i systemet. Praktisk bevisning av den omfattning detta kan ha saknas ännu, all forskning har ju tyvärr varit inriktad på att kväve är det begränsande ämnet, men det kan vara värt att observera att sedan man i mitten av 1990-talet började med kväveavskiljning i Uddevallas reningsverk har några rekordhöga syrgasmännader uppmätts i den mottagande Byfjorden. Under 1980-talet var syreövermättnaden oftast inte större i den eutroflerade Byfjorden än i den mera opåverkade Kosterijorden med en planktonproduktion endast hälften av Byfjordens.
Vi kan alltså konstatera att den metod, som använts som stöd för uppfallningen att kväve är begränsande näringsämne för fotosyntesen i marina ekosystem, är principiellt felaktig. Även om man påstår det, så har faktiskt ingen visat att kväve är begränsande. Det är ju inte detsamma som all kväve inte skulle kunna vara begränsande, det innebär bara all vi saknar kunskap om det är det ena eller det andra som gäller. Den moderna närsaltekologins grundläggare, Alfred Redfield, ansåg att kväve aldrig kunde bli begränsande på grund av att ekosystemet har en inbyggd mekanism som vid eventuellt underskott hämtar kväve från atmosfärförrådet, det som kallas kvävefixering och för jordbrukaren är en välbekant process genom bakterier i ärtrötter. Kväveteorins upphovsmän ville hävda att Redfield överskattat fixeringens betydelse. Men detta grundade de återigen på sina observationer av, som de själva kallade det, den närvarande mängden av kväve. Och det har vi ju nu konstaterat att den representerar bara ett mellanlager i ett flöde och kan inte användas som bevis för bristande kvävetillgång. I själva verket är all biologisk produktion på land och i hav beroende av kvävefixering, antingen biologisk eller industriell. Kvävets kretslopp atmosfärbiosfär, fixering-fotosyntes-nedbrytning-denitriflkation, är helt enkelt ett mått på livsprocesserna på vår planet.
Exempel på att marina ekosystem kompenserar bristande tillförsel av kväve förhållande till fosfortillgången har lämnats av S.V. Smith, professor i oceanografi vid universitetet på Hawaii. Han undersökte laguner omgivna av ökenartad mark, där det alltså i stort sett saknades tillförsel från land. Närsalter tillfördes därför istället genom inblandning med djupvatten utanför lagunerna. Här kom alltså tillförselkvoterna att vara desamma som haltkvoterna och det vatten som blandades in i lagunerna hade låga N:P-kvoter. Smith kunde visa att trots detta så utnyttjades den tillgängliga fosforn helt under bildning av cellsubstans med normala N:P-kvoter. Kväve måste alltså ha tillförts genom fixering.
Exempel på storskalig kvävefixering i haven saknas inte. Mest känt är kanske Röda havet, vars färg kommer från en kvävefixerande organism (Cyanophyceae), men liknande fenomen finns beskrivna från alla delar av världshaven. Östersjöns kvävefixering är välstuderad. Det bör observeras att de högsta fixeringsvärdena har konstaterats i de södra delarna där Polen och fd. Östtyskland släppt stora mängder orenat och följaktligen fosforrikt avloppsvatten. Vissa kvävefixerare är giftiga och det är alltså inte god miljöpolitik att stimulera fixerande organismer.
För att sammanfatta: De metoder, som hittills använts för att visa att kväve är det begränsande ämnet i våra kustvatten, kan av principiella skäl inte godkännas. Det finns alltså inga undersökningar som visar att kväve är det begränsande ämnet. Det vi vet om kvävefixering i havsområden talar för att den processen kompenserar ett eventuellt kväveunderskott relativt fosfor i tillförseln till ett havsområde. Principiellt kan vilket nödvändigt ämne som helst göras till det begränsande, men allt talar för att försök att göra kvävet begränsande blir omöjliga genom ekosystemets komnensationsmekanismer. Ett överskott av kväve i form av nitrat utgör utan tvekan ett reservfbrråd av syre som kan försena inträdandet av sulfatbaserad oxidation och svavelvätebildning.
I bästa fall utgör försöken med att flytta denitrifikation från recipienterha till reningsverken eller dammar en meningslös åtgärd, i sämsta fall är det en direkt miljöskadlig åtgärd. Risken för eutrofiering av kustvattnen kan inte användas som skäl till att lägga skatter på handelsgödsel eller till krav på att bönderna skall lägga ner tid och kostnader på att minska utsläppen av kväve. Låt jordbruksekonomin styra kvävehanteringen!
Johan Söderström
var Fil.dr., docent i marin botanik, 1975-1988 var han byrådirektör med ansvar för vattenvården i Göteborgs och Bohus län.
Johan Söderström 1996. The significance of observed nutrient concentrations in the discussion about nitrogen and
phosphorus as limiting nutrients for the primary carbon flux in coastal water ecosystems. Sarsia 81:81-96