De fleste kulstofatomer er ¹²C (kulstof-12), men isotoperne ¹³C (kulstof-13) og ¹⁴C (kulstof-14) udgør en lille andel af jordens kulstofatomer. Kulstof-13 er tungere end kulstof-12, begge er i modsætning til kulstof-14 stabile; det vil sige, at de ikke ændrer sig og dermed heller ikke er radioaktive. Ved hjælp af avanceret måleudstyr kaldet et Isotop Ratio Masse Spektrometer (IRMS) kan forskere måle isotopsammensætning på kulstoffet i jorden.

”Når man har en masse af kulstofatomer blandet sammen, så vil næsten alle være ¹²C, men der vil være en lille smule naturligt forekommende tungt ¹³C. Måleudstyret kan fortælle os, hvad forholdet mellem det tunge og det lette kulstof er i jorden, i plantemateriale og i jordens nedbryderorganismer” forklarer forsker Mette Vestergård fra Institut for Agroøkologi ved Aarhus Universitet. ”Og det har vi brugt til at undersøge, hvad der sker med det organiske kulstof, der har ligget i jorden i mange år. Vi har særligt været interesserede i at se, om det stadig er en del af de biologiske processer, der konstant foregår nede i jorden, og ikke mindst har vi ønsket at undersøge, hvilke organismer, der bidrager til nedbrydningen af det gamle organiske kulstof.”

Dovne enzymer fodrer mikroorganismerne med kulstof-12

Indholdet af tungt kulstof-13 i forhold til det lette kulstof-12, dvs. kulstof-13-12-forholdet, varierer mellem forskellige plantearter og mellem forskellige jorde. Det skyldes forskelle i de enzymer planterne bruger  til at omsætte kulstof fra CO₂ til sukkerstoffer. Enzymerne er generelt mere tilbøjelige til at bruge den lette kulstof-12-isotop; man siger, at enzymerne diskriminerer mod det tunge kulstof-13.

”De planter, vi naturligt har her på vores breddegrader, kaldes for C3-planter. De bruger enzymet Rubisco til at fange CO₂ med, mens C4-planter som for eksempel majs, der kommer fra varmere himmelstrøg, bruger det enzym, der hedder PEP-carboxylase til at opfange CO₂ fra atmosfæren. Rubisco er lidt mere dovent end PEP-carboxylase. Det vil sige, at C3-planterne bruger mindre af det tunge ¹³C end C4-planterne,” forklarer Mette Vestergård.

Det betyder, at forholdet mellem kulstof-13 og kulstof-12 i jordens organiske kulstofpuljer vil afspejle, om det organiske stof oprindeligt stammer fra en C3- eller en C4-plante.

Alle organismer, der lever af de levende eller døde planter, har plantemateriale stillet til rådighed, der enten har lidt mere eller mindre kulstof-13 i sig alt efter, hvilket enzym, der er brugt til at optage og omsætte CO₂. Helt ny teknologi har gjort det muligt for forskerne at måle på isotopsammensætningen af jordens nedbryderorganismer.

Svampe og bakterier nedbryder kulstof

For 20 år siden blev et forsøg etableret i Askov. Her blev ganske almindelig dansk landbrugsjord, som altid havde været dyrket med C3-planter placeret i beholdere, og siden er der kun dyrket majs i jorden.

”Det vil sige, at alt det kulstof, der nogensinde via planter var kommet ned i forsøgsjorden inden forsøgets start bar isotopmærket for C3-planter. Det er 20 år siden i dag, og i løbet af de 20 år har al det kulstof, der er puttet ned i jorden båret C4-planternes signatur for ¹³C - til ¹²C- forholdet,” fortæller Mette Vestergård.

Det vil sige, at isotop-sammensætningen i jordens organiske kulstof startede med at bære signaturen for C3-planterne, men årene siden da har den stille og roligt bevæget sig over mod den isotop-sammensætning, som er kendetegnende for C4-planter.

”Det er interessant, fordi jo længere tid organisk kulstof har været i jorden, desto mere besværligt bliver det for mikroorganismer, altså for svampe og bakterier at omsætte. Men vi mangler viden om, hvilke organismer, der bidrager til nedbrydningen af det gamle organiske stof. Ved at måle isotopsammensætningen i nedbryderorganismer, kan vi nu detektere, i hvor høj grad de lever af kulstof, der stammer fra C3-planter, som altså er mere en 20 år gammelt,” fortæller Mette Vestergård.

”Det er det kulstof, vi overordnet er interesserede i, for med den øgede CO₂-koncentration i atmosfæren og de klimaændringer, det afstedkommer, så vil vi gerne have så meget kulstof som muligt til at forblive i jorden, så det ikke bliver nedbrudt og frigivet som CO₂ til atmosfæren. Og derfor har vi undersøgt, hvad der sker med det gamle kulstof, der har ligget i jorden længe, og hvad det er for nogle organismer, der deltager i at få det nedbrudt. Forsøget i Askov gav os mulighed for at se på kulstof, der har ligget i jorden i op til 20 år,” fortæller Mette Vestergård.

Små orme sladrer om bakterier, svampe og nedbrudt kulstof

For at gøre det muligt at måle på nedbrydningen af de forskellige typer af kulstof, har forskerne arbejdet med mikroorganismer og nematoder i jorden. Nematoder er små rundorme, som findes naturligt i alle typer jord. Forskerne har undersøgt tre grupper af nematoder:

1. Nematoder, der lever af planter
2. Nematoder, der lever af bakterier
3. Nematoder, der lever af svampe

Ved at måle på nematodernes isotop-signatur er det muligt for forskerne at få en idé om, hvad deres fødekilder, dvs. bakterierne og svampene, nedbryder, og om de bedst kan lide frisk og let-omsætteligt organisk kulstof eller det ældre og svært-omsættelige organiske kulstof. 

”Det vigtigste for os var at måle på de nematoder, der lever af bakterier og svampe. De nematoder, der lever af de levende planter, er ikke med til at nedbryde det gamle plantemateriale, der ligger i jorden, men de fungerer godt til at tjekke metoden. De burde vise den isotop-sammensætning, som den nuværende levende plante har, fordi de spiser direkte af den. Og det er også det, de viser i vores målinger, så de fungerer fint som referencepunkt,” siger Mette Vestergård.

To forskellige situationer målt

Forskerne har arbejdet med to forskellige situationer, for at se hvordan nedbryderorganismerne arbejder med kulstof under forskellige behandlinger af jorden. I den ene behandling tilføres jorden ikke andet end de døde majsrødder- og stubbe (MS), der står tilbage efter høst af majsplanterne. I den anden behandling (MS+B) har man hvert år igennem 20 år efter høst hakket de høstede majsplanter i smådele og ført dem tilbage til jorden. Det betyder, at nedbryderorganismerne i MS+B har en betydeligt større mængde plantemateriale at arbejde med.

”Det ses tydeligt i vores resultater. For det første er der meget færre organismer i den jord, der har fået MS-behandlingen. De har ikke fået noget ekstra plantemateriale at leve af, og de er sultne, mens der er meget mere aktivitet i jorden med MS+B behandlingen. Ud over en øget aktivitet i jorden kan vi også tydeligt se, at behandlingen har en betydning i forhold til, i hvor høj grad organismerne nedbryder det gamle organiske kulstof i jorden,” fortæller Mette Vestergård.

MS og MS+B

Forskernes målinger på MS-behandlet jord viser, at de nematoder, der lever af bakterier får ca. 30% af deres næring fra gammelt kulstof, mens det for de nematoder, der lever af svampe er hele 70%. (Se figur 1).

”Det viser sig altså, at bakterierne har fået meget mere af deres kulstof direkte fra majsen eller rester herfra end svampene i jorden har,” forklarer Mette Vestergård. 

Sammenlignet med MS-behandlingen, ændrede MS+B-behandlingen ikke isotopsignaturen for planteæderne, men for de andre nematod-grupper skete der store ændringer. Pludselig fik bakterieæderne næsten al deres kulstof fra majsen, og for svampene bestod kun ca. 20 % af deres kulstof af gammelt kulstof (Se figur 1).

Fig. 1. Estimeret andel af kulstof fra C4-planter (altså rester af majsplanterne) i henholdsvis den mikrobielle biomasse og de tre forskellige typer nematoder i jord, der udelukkende er blevet dyrket med majs i seneste 20 år. Jordbunden har fået to forskellige årlige behandlinger: MS, kun majsrødder og stubbe blev ført tilbage til jorden; MS + B, tilsætning af 0,8 kg DM m^-2 hakket overjordisk majsbiomasse.

”Det viste os, at hvis man giver nedbryderorganismerne mere af det letomsættelige og friske organiske kulstof, så vælger de det frem for det gamle. Men på samme tid kan vi se, at bakterieæderne ligger tæt på planteæderne, mens svampeædernes andel af tungt kulstof ligger noget højere. Det er en indikation på, at hele den svampebaserede fødekæde i jorden baserer sig mere på ældre kulstof end den bakteriebaserede fødekæde. Svampene er med andre ord lidt mindre dovne end bakterierne,” forklarer Mette Vestergård.

Overraskende meget gammelt kulstof er stadig aktivt

Det overraskede forskerne, at det gamle kulstof stadig udgør en substantiel del af fødegrundlaget for jordens fødekæder efter 20 år.

”Det kunne være interessant at bruge et meget ældre forsøg, og se, hvad der så sker, men der må vi bare vente på, at forsøget i Askov bliver ældre, før det kan lade sig gøre,” siger Mette Vestergård.

”Ældre organisk kulstof er til stadighed aktivt og under proces, og det er især svampe og svampeædende nematoder, der nedbryder det, det er ret ny og meget spændende viden, som vi gerne vil undersøge nærmere,” siger Mette Vestergård.

Bag forskningen

Samarbejdspartnere: Aarhus Universitet, Københavns Universitet, University of Göttingen og Zealand Sjællands Erhvervsakademi

Finansiering: Det Strategiske Forskningsråd (nu: InnovationsFonden)

Interessekonflikter: Ingen

Publikation: ”Natural ¹³C abundance reveals age of dietary carbon sources in nematode trophic groups” blev publiceret i Soil Biology and Biochemistry I 2019. Den er skrevet af Mette Vestergård, Marie Dam, Louise Hindborg Mortensen, Jens Dyckmans og Bent T. Christensen.

For yderligere information kontakt

Forsker Mette Vestergård, Institut for Agroøkologi, Aarhus Universitet.

E-mail: mvestergaard@agro.au.dk.

Tlf.: +45 87158121