Øvelsesvejledning til gymnasiebesøget: "Mad til Milliarder – tæt på økologi og jordbrug” Når I kommer på besøg på LIFE – Det Biovidenskabelige Fakultet hos Institut for Jordbrug og Økologi, skal I tilbringe 3 timer sammen med et par planteforskere. I skal høre nogle oplæg og lave praktiske øvelser i laboratoriet. Du sidder nu med øvelsesvejledningen i hånden, som vi skal bruge til de praktiske øvelser. Kvælstof – et vigtigt plantenæringsstof Introduktion Denne øvelse skal illustrere nødvendigheden af kvælstof for væksten hos to forskellige typer af afgrøder: Byg (Hordeum vulgare), som er en af de vigtigste landbrugsafgrøder i Danmark og 2) Ært (Pisum sativum), der er en bælgplante, som kan indgå i symbiose med jordbakterien Rhizobium. Bakterierne får rødderne til at danne rodknolde, som omdanner atmosfærisk nitrogen (N2) til en kvælstofform planten kan optage og bruge til opbygning af bl.a. klorofyl og protein. Vi skal kigge på indholdet af klorofyl i planternes blade ved hjælp af UV-visuel spektroskopi og undersøge bælgplanternes særlige rodknolde under stereolup. Faktaboks: Kvælstof, afgrøder og jordbrug Kvælstof i jordbruget Kvælstof (N) er et af de plantenæringsstoffer, der de seneste årtier har tiltrukket sig mest opmærksomhed. Medierne bringer ofte historier om iltsvind i de indre danske farvande, som i høj grad er forårsaget af udvaskning af kvælstof. Danske landmænd tilfører deres marker kvælstof i store mængder, desværre med efterfølgende risiko for udvaskning. Kvælstof – et centralt plantenæringsstof Kvælstof indgår i mange molekyler i planter og dyr. Eksempelvis bruges kvælstof til at opbygge aminosyrer, der er byggestenene for proteiner. Hos planter har kvælstof tilmed en anden vigtig funktion: kvælstof er hovedkomponent i planternes grønne klorofylmolekyle. Får planten ikke nok kvælstof, falder mængden af klorofyl. Klorofyl er plantens ”lys-høstende” molekyle, som omdanner sol-energi til kemisk energi, der i fotosyntesen udnyttes til at producere biomasse. Tilfører man ikke tilstrækkelige mængder kvælstof til markens afgrøder, vil det nedsætte afgrødernes vækst og dermed mængden af dannede kerner, som betyder at landmanden høster et mindre udbytte. Passende mængder kvælstof er altså ekstremt vigtigt for optimal plantevækst. Jordens kvælstofpulje Ser man på planters kvælstofoptag, så er de vigtigste kvælstofforbindelser nitrat (NO3-) og ammonium (NH4+). Er indholdet af kvælstof i jorden ikke tilstrækkeligt, vælger landmanden at tilføre sine marker gødning, der indeholder N. Det kan både være i form af kunstgødning, husdyrgødning eller grøngødning (grøngødning er kvælstofrige planterester – typisk fra bælgplanter). Jordens kvælstofpulje består af levende og dødt materiale, såsom mikroorganismer, humus og planterester. Planter kan ikke optage kvælstof på organisk form, dvs. bundet til organisk materiale eller mikroorganismer, men kan kun optage de uorganiske forbindelser; NO3- og NH4+. Derfor er det nødvendigt, at de organiske forbindelser nedbrydes af mikroorganismer i jorden så planterne kan optage kvælstoffet. Tilførsel af kvælstof til afgrøderne For at tilfredsstille afgrødernes kvælstofbehov og dermed sikre et højt udbytte, gøder landmanden markerne med kunstgødning produceret på en fabrik eller husdyrgødning fra f.eks. en gård med grise eller køer (husdyr). I det økologiske landbrug må man ikke bruge kunstgødning, men kun husdyrgødning - og helst fra økologiske husdyr. Hvis ikke den økologiske landmand kan få fat i tilstrækkelige mængder 1 husdyrgødning, kan han vælge at dyrke bælgplanter (grøngødning). Af bælgplanter kan f.eks. nævnes ært, kløver, bønne, lupin og vikke. Disse planter kan fiksere kvælstof direkte fra luften - på den måde øges indholdet af kvælstof i jorden til gavn for afgrøderne. Bælgplanter dyrkes ofte sammen med andre ikke-kvælstoffikserende afgrøder, f.eks. græs, hvede eller byg, hvor bælgplanterne `hjælper` landmanden med at tilføre dyrkningssystemet N. Når de organiske gødninger nedbrydes af mikroorganismerne i jorden frigives der ammonium til jorden. Man taler om en mineralisering af kvælstoffet. Dette ammonium kan planterne optage. Hvis landmanden nedpløjer halm fra korn eller andet materiale med meget lidt kvælstof i, bliver det også nedbrudt af mikroorganismerne, som vokser på halmen. Men så mangler mikroorganismerne kvælstof til deres vækst, og derfor optager de det fra jordens uorganiske pulje. Man taler om at mikroorganismerne immobiliserer kvælstof. På den måde kan nedbrydning af halm konkurrere med planterne om kvælstoffet. Først når halmen er helt nedbrudt og mikroorganismerne begynder at dø, vil kvælstoffet blive frigivet igen. Kvælstoffiksering fra luften via mikroorganismer Atmosfærisk luft består af 78 % frit kvælstof (N2). Årsagen til at bælgplanter kan fiksere dette frie kvælstof er at de kan indgå et symbiotisk forhold til bakterien Rhizobium. Planten forsyner bakterien med sukkerforbindelser - altså kulhydrater, til gengæld leverer bakterien kvælstofforbindelser til planten. Et klassisk symbiotisk forhold der foregår i særlige rodknolde på bælgplantens rødder. Øvelsesvejledning Dyrkningen af de planter, I nu sal kigge på, blev startet 6 uger før jeres besøg. Vi har sået byg i potter og ærter i potter. Planterne er blevet dyrket i 300 gram dansk landbrugsjord. Efter 14 dages vækst, er potterne med hhv. byg og ært blevet delt op i to grupper. Planter får tilført forskellige kvælstofkilder: Den ene gruppe (både byg og ærteplanter) fik tilført 5 ml 1M NH4NO3 sammen med 5 ml af en næringsopløsning med alle andre vigtige plantenæringsstoffer – den kalder vi for +N behandlingen. Den anden gruppe fik ikke tilført NH4NO3, men kun de andre næringsstoffer, den kalder vi for –N behandlingen. Vi har også dyrket byg i jord, hvor der er iblandet organisk materiale. I den ene behandling er der blandet kløver i. Kløver er en kvælstoffikserende plante, så den indeholder meget kvælstof. Den kalder vi for grøngødning-behandlingen. I den anden behandling er der er blandet halm i jorden. Halm indeholder meget lidt kvælstof, den kalder vi for halmbehandlingen. Herunder er en oversigt over behandlingerne: Ærter (–N): Ærter dyrket uden kvælstofgødning Ærter (+N): Ærter dyrket med kvælstofgødning Ærter (-N/-jord): Ærter dyrket uden jord (kun vermaculit) og uden kvælstofgødning Byg (–N): Byg dyrket uden kvælstofgødning Byg (+N): Ærter dyrket med kvælstofgødning Byg (grøngødning): Byg dyrket på jord, hvor der er blandet kløver i Byg (halm): Byg dyrket på jord, hvor der er blandet halm i Vi skal nu se på effekten af de forskellige behandlinger har medført for henholdsvis byg og ært. 2 I. Klorofyl - demonstration Mængden af klorofyl i bladene kan konstateres kvalitativt ved at se på prøven og rent visuelt bestemme intensiteten af det grønne pigment. Klorofylmængden kan også blive bestemt kvantitativt ved at måle absorbansen i et spektrofotometer. Underviser har på forhånd ekstraheret klorofyl og overført dette til kvarts cuvette. Ved demo isætter underviser det spektrofotometret og det UV – visuelle spektrum fra 300 til 800 nm på kan aflæses på den opstillede PC. Kan der ses en forskel på behandlingerne? (udfyld skemaet tilhørende øvelse 1) Beregn mængden af klorofyl ved hjælp af Lambert-Beers lov: Total klorofyl (µg/ml) = 20.2 (A645) + 8.02 (A663) (indsæt værdier i skemaet) II. Byg – visuel bedømmelse af bladenes grønne farve 1. Hver gruppe får udleveret et ”Leaf green chart”, som kan bruges til visuelt at bestemme bladenes grønne farve. Bedøm bladenes farve (klorofylindhold) ved at ligge byg-bladet på kortet og find den farve intensitet der ”matcher” bladet bedst. 2. I skal lave bedømmelsen for alle 4 behandlinger på byg III. Rodknolde - øvelse For at se forskel i kvælstofbehandlingen af ærterne, skal vi kigge på rødderne. 1. Tag en ærte-plante og rens forsigtigt rødderne med vand, så de er fri for jord. 2. Sammenlign herefter rødderne. Kan der ses en forskel på behandlingerne? (noter hvad I ser - i skemaet tilhørende øvelse 1) 3. Skær forsigtigt rodknoldene midt over med skalpellen og se om der er en forskel. Hvis der er, hvad er forskellen? (skriv ned hvad I/du ser - i skemaet tilhørende øvelse 1) 3 SKEMA til kvælstof-øvelsen Udfyld skemaet med dine observationer, samt absorbansværdierne fra målingen. Byg uden med kvælstof- kvælstofgødning gødning med halm (-N) (+N) Ært med grøn gødning uden kvælstof (-N) med Uden kvælstof kvælstof, (+N) uden jord Grøn farve på bladene. Visuel bedømmelse på skala fra 1-4 Spektrofotometer måling: Total klorofyl (µg/g friskvægt) Antal rodknolde Er der forskel på rodknoldene? Spørgsmål: a) Hvordan får de planter, der ikke er gødet med næringsopløsning, dækket deres kvælstofbehov? b) Hvad sker der, hvis en plante ikke får nok kvælstof? c) Hvilke muligheder har landmanden for at give sine afgrøder på marken mere kvælstof? d) Forklar sammenhængen kvælstofbehandlingerne og de målte absorbansspektra? e) Hvorfor ser vi planterne som grønne og ikke som blå? 4