Lattergas som drivhusgas

Promilleafgiftsfonden for landbrug

Det Europæiske Fællesskab ved Den Europæiske Fond for Udvikling af Landdistrikter og Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri har deltaget i finansieringen af projektet.
Lattergas er en af de mindre betydningsfulde drivhusgasser, men lattergassens globale opvarmningspotentialer omkring 310 gange større end for CO2. I artiklen beskrives hvad lattergas er og hvordan den dannes.

 

Lattergas er en af de mindre betydningsfulde drivhusgasser, idet den kun bidrager med 4-6 pct. af den samlede menneskeskabte forøgelse af drivhuseffekten. Alligevel er det vigtigt at reducere udledningerne, fordi lattergas har en lang levetid i atmosfæren, omkring 114 år og helt op til 120 år. Bl.a. derfor er lattergassens globale opvarmningspotentiale omkring 310 gange større end for CO2.

Ligesom med metan er landbruget også hovedkilden til det menneskeskabte udslip af lattergas, som opstår ved at jordbakterier omdanner kvælstof fra både kunstgødning og naturlig gødning til lattergas. Forbrændingsprocesser og brugen af katalysatorer bidrager også til udslippet af lattergas.

Den samlede stigning i atmosfærens koncentration af lattergas på grund af menneskeskabte udledninger er også relativt beskeden på ca. 17 pct.

Lattergas er både en naturlig og en menneskeskabt gas. Betydelige kilder til den naturlige produktion af lattergas er oceaner og regnskove. Nye undersøgelser viser, at den naturlige produktion af lattergas i Arktis under de rette betingelser kan nå et niveau på højde med den, der hidtil kun er set i troperne. De rette betingelser i Arktis kan skabes, hvis lag af permafrost tør på grund af den globale opvarmning.

Siden år 1800 er atmosfærens indhold af lattergas steget markant. Cirka 70 procent af stigningen skyldes en naturlig frigivelse fra mikroorganismers nedbrydning af kvælstof i jorden. De sidste 30 procent skyldes en mere direkte menneskelig aktivitet - primært intensivering af landbrugsdriften med mere gødning og flere dyr.

Hvad er lattergas?

Til top
Lattergas kendes også som kvælstofoxid, dinitrogenoxid og kvælstofforilte. Ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk er det en farveløs, ikke-brændbar gas med en behagelig, let sødlig lugt. Navnet "lattergas" skyldes den virkning denne gas har på mennesker, der inhalerer den, og den anvendes som bedøvelsesmiddel.

Den kemiske formel for lattergas er N2O.

Lattergassen blev første gang beskrevet af Joseph Priestley i 1772. Syntesen på det tidspunkt foregik efter formlen:

2NO + H2O + Fe → N2O + Fe(OH)2

Lattergas som drivhusgas

Til top
Udover at være et bedøvelsesmiddel er lattergas en særdeles stærk drivhusgas, der er hele 300 gange kraftigere end kuldioxid. Det har længe været kendt, at tropiske sumpområder og regnskove frigiver betydelige mængder lattergas, fordi mikroorganismer nedbryder store mængder kvælstof i den vandmættede jord. Det giver en høj frigivelsesrate på omkring 34 milligram lattergas per kvadratmeter per dag.

I de arktiske egne ligger en pulje af organisk stof begravet i den frosne jord. I det omfang, puljerne i det arktiske område er kvælstofholdige kan de omsættes til lattergas, når den globale opvarmning får en større del af permafrosten til at tø. Når den arktiske permafrost tør op, vil det starte en produktion af store mængder lattergas. En del af denne lattergas vil efter alt at dømme slippe ud i atmosfæren, hvor den både vil accelerere den globale opvarmning samt medvirke til at nedbryde af ozonlaget.

Igennem de seneste ti år har permafrosten årligt mistet knap en centimeter i tykkelsen. Og skal man tro de officielle prognoser, vil jordens middeltemperatur stige med to grader de næste 80 år, hvilket medfører, at yderligere 10-20 måske helt op til 50 centimeter af permafrostlaget vil tø. Da der findes permafrost i store dele af Arktis, vil lattergassen potentielt set kunne bidrage betydeligt til drivhuseffekten. Hvis lattergassen frigøres i takt med varmere klima og nedbør i det arktiske område, kan lattergas blive en vigtig kilde til den globale opvarmning.

Lattergas som nedbryder af ozonlaget

Til top
Ozonlagets nedbrydning diskuteres ofte i relation til udledningen af klorholdige CFC-gasser, men lattergas bidrager faktisk væsentligt til nedbrydning af ozon i den øverste del af atmosfæren.

Hvordan dannes lattergas i naturen?

Til top
Lattergas dannes ved en naturlig proces med navnet denitrifikation. Denitrifikation er omdannelsen af kvælstof på nitratform til gasformige kvælstofforbindelser (primært lattergas (N2O) og frit kvælstof (N2), men også NO er påvist). Denitrifikation er den dominerende proces, som fjerner kvælstof fra vandet i ferske og salte vådområder. Denitrifikationen udføres af specialiserede bakterier, der reducerer nitrat til atmosfærisk kvælstof, N2.

Processen

Til top
Denitrifikation er en bakteriel respirationsproces, hvor nitrat bruges som elektronacceptor på samme måde som ilt. Som resultat reduceres nitrat til N2 i følgende trin:

Nitrat -> Nitrit -> Kvælstofilte -> Lattergas -> Atmosfærisk kvælstof

NO3- -> NO2- ->NO -> N2O -> N2

  1. NO3- + 2 H+ + 2 e- -> NO2- + H2O
  2. NO2- + 2 H+ + e- -> NO + H2O
  3. 2 NO + 2 H+ + 2 e- -> N2O + H2O
  4. N2O + 2 H+ + 2 e- - -> N2 + H2O

Ved hvert enkelt trin i processen udvikles energi, som bakterierne drager nytte af. Udover frit kvælstof (N2) frigøres der større eller mindre mængder af de gasformige mellemprodukter. Processen finder sted alle steder, hvor der er nitrat og oxiderbart organisk stof tilstede under iltfrie forhold. Bestemte bakterier kan i stedet for organisk stof oxidere uorganiske forbindelser som brint (H2), svovlbrinte, ammonium (NH4+), ferro (Fe2+) – jern og methan (CH4) under udvikling af frit kvælstof.

Forholdet mellem de luftarter, der dannes, påvirkes af forskellige forhold:

  • ilt – procentdelen af N2O stiger med stigende andel af luftfyldte porerum
  • pH – denitrifikation ved pH 4,5 udviklede både NO, N2O og N2. Ved pH 7,5 registreredes kun N20 og N2. Reduktionstrinnet fra N2O til N2 hæmmes ved lave pH-værdier
  • temperatur - N20 dominerer ved lave temperaturer og N2 dominerer ved høje temperaturer.
  • organisk stof - jo mere letnedbrydeligt kulstof, der er til stede, jo lavere er forholdet mellem N2O og N2 og
  • nitrat – andelen af N2O stiger med stigende nitratmængde.

Denitrifikationsprocessen er energikrævende. Derfor skal bakterierne have adgang til en let omsættelig energikilde. Den mest udbredte proces er heterotrof denitrifikation. Energikilden er i dette tilfælde organisk bundet kulstof, der oxideres til CO2. Processen har følgende reaktionsskema:

Org. stof + Nitrat + Brintioner -> Kuldioxid + Atm. kvælstof + Vand

5(CH2O) + 4 NO3- + 4 H+ -> 5 CO2 + 2 N2 + 7 H2O

Vådområder med dynd eller tørv har et stort potentiale for denitrifikation. Men man kan ikke gå ud fra, at hele mængden af organisk stof kan bruges til denitrifikation. Det organiske stof består af mange forskellige høj- og lavmolekylære stoffer, der ikke nedbrydes lige nemt. Den letomsættelige kulstofpulje er dynamisk og under stadig forandring. Der sker en vedvarende tilførsel ved henfald af levende organismer, først og fremmest planter, og en stadig fraførsel gennem nedbryderorganismer. Svært omsættelige organiske forbindelser som cellulose og lignin nedbrydes ikke under iltfrie forhold.

Processen kan også foregå med pyrit, FeS2, som energikilde (e- donor) gennem autotrof denitrifikation. Bakterierne behøver ikke organisk kulstof, men benytter CO2 direkte som kulstofkilde. Reaktionsligningen foregår i to trin:

Pyrit + Nitrat + Brintioner -> Atm. kvælstof + Sulfat + Ferroioner + Vand

5 FeS2 + 14 NO3- + 4 H+ -> 7 N2 + 10 SO42- + 5 Fe2+ + 2 H2O (1)

Ferroioner + Nitrat + Vand -> Geothit + Atm. kvælstof + Brintioner

5 Fe2+ + NO3- + 7 H2O -> 5 FeOOH + 0.5 N2 + 9 H+ (2)

Trin 1 og 2 kan foregå uafhængigt af hinanden, og de udføres af forskellige bakterier. Autotrof denitrifikation er bedst kendt i grundvandsmagasiner, men finder også sted i vådområder. I Danmark kan man forvente at finde processen i okkerpotentielle områder i Jylland, fortrinsvis i Sønderjyllands amt, Ribe amt, Ringkøbing amt og Nordjyllands amt. Pyritdannelsen er formentlig en langsom proces i ferske vådområder på grund af den ringe tilførsel af udgangsprodukterne (Fe og SO42-). Derfor er pyrit som regel en begrænset ressource for denitrifikationen i modsætning til organisk stof, der hele tiden tilføres gennem planteproduktionen.
Processen er styret af en række faktorer, der bestemmer, hvor den finder sted, og hvor hurtigt nitratfjernelsen sker.

pH

Til top
Denitrifikation foregår bedst ved pH 6-8. Men der er eksempler på, at processen kan foregå ned til pH 4 og op til pH 9, afhængigt af bakterietype. Ved denitrifikation med organisk stof som energikilde øges alkaliniteten. Det fører til en stigning i pH, som undertiden kan måles i den aktivt denitrificerende zone.

Temperatur

Til top
Temperaturen har stor indflydelse på denitrifikationen. Som tommelfingerregel fordobles processens hastighed hver gang temperaturen stiger 10 °C (Q10 = 2).

Denitrifikation foregår ned til 0 °C og op til 60-70 °C. I de fleste tilfælde kan processen finde sted hele året under danske forhold. Ved undersøgelser i Fyns Amt er der registreret nitratfjernelse på 50 kg N ha-1 måned-1 ved temperaturer nær 0 °C. I grundvandsfødte vådområder ligger temperaturen altid omkring 8 °C. Her ses en konstant høj denitrifikation, hvis der ikke er andre begrænsende faktorer.

Bakterierne

Til top
Det er bakterier fra en række forskellige familier og slægter, fx Pseudomonas og Bacillus, som kan anvende nitrat som iltningsmiddel ved omsætningen af organisk stof, når der ikke er fri ilt til stede (anaerobe forhold). Ved denne anaerobe respiration reduceres nitrat enzymatisk i trin over nitrit NO2- via luftarterne NO og N2O (lattergas) til frit kvælstof, N2. Det sidste enzym i omsætningen hæmmes bl.a. ved lave pH-værdier, og herved ophobes og afgives N2O til atmosfæren.

De bakterier, der er ansvarlige for omdannelsen, er bestemte heterotrofe (dvs., at de får deres energi fra organisk stof) og enkelte autotrofe (dvs., at de får deres energi fra uorganiske forbindelser) arter. Disse denitrifikanter er såkaldt fakultativt anaerobe, hvilket betyder, at de ånder med ilt, når det er til stede. Hvis ilten bruges op, kan de skifte til nitratrespiration, efter at de har produceret eller aktiveret de nødvendige enzymer. I praksis betyder det, at når ilt er til stede, så anvender bakterierne ilt som iltningsmiddel, mens de anvender nitrat, når der ikke er tilstrækkeligt med ilt tilstede. Processen er altså en alternativ måde at skaffe energi ved respiration på – i stedet for ilt anvendes nitrat - og energikilden i processen kan enten være organisk stof eller uorganiske stoffer som f. eks. svovlbrinte (H2S) og brint (H2). Oxidationen af organisk stof i denitrifikationsprocessen er fuldstændig, idet CO2 er det eneste oxiderede slutprodukt.

Hvor foregår processen?

Til top
For at få afgasset nitrat som N2 til atmosfæren skal nitrat være til stede, mens ilt ikke må forekomme. Den situation opstår i et område, som er tilpas fugtigt, vandmættet eller helt vanddækket. Ilt er lavt opløseligt og har en lav diffussionshastighed i vand. Det betyder, at ilten hurtigt opbruges, fordi forbruget i vandområder langt overstiger tilførslen. Ved fuldstændig vanddækning eller vandmætning kan ilten opbruges få millimeter under jordoverfladen. Ved tilførsel af tilstrømmende grundvand kan ilten dog trænge flere meter ind i vådområdet gennem de vandledende lag.

I modsætning til ilt har nitrat en høj opløselighed og diffusionshastighed i vand. Når nitrat føres frem til de denitrificerende områder med grundvand eller overfladevand (lavvandede søer), ses høje denitrifikationsrater.

Denitrifikation i lavvandede søer og moser

Til top
De lavvandede danske søer har et stort potentiale for at fjerne kvælstof ved denitrifikation. Langt hovedparten af kvælstoffet omdannes til frit atmosfærisk kvælstof. I mange af de danske vandløbssystemer har søerne afgørende indflydelse på tilførslen af næringsstoffer til nedstrøms vandløb og søer, og til fjorde og kystnære områder, fordi søerne fjerner en betydelig mængde af den kvælstof, der tilføres. Typisk fjernes omkring 40 pct. af det nitrat, der tilføres.

Eksempel

Målinger gennemført i vådområder, der hovedsageligt gennemstrømmes af grundvand, viser en variation i denitrifikationen fra 8 til 2.100 kg N pr. ha. pr. år. Der er flere forhold, der forklarer den store variation.

Denitrifikation i jord

Til top
Iltfrie områder i jord opstår, når diffusionen af ilt til et punkt ikke kan følge med iltforbruget. Det kan ske ned gennem profilet i en jord og ind gennem vandfyldte aggregater. Iltfrie områder i aggregater spiller sandsynligvis den største rolle i de fleste jorder. Forskellige jordbearbejdningsmetoder påvirker aggregatdannelsen forskelligt. Vigtige aggregatdannere er f.eks. planterødder og regnorme.

Denitrifikation er et vigtigt led i den globale kvælstofomsætning I processen frigives bl.a. kvælstof, som er blevet bundet af kvælstofbindende bakterier. Denitrifikation foregår i alle jorder, men er størst i fugtig jord og jord rig på organisk stof. Denitrifikation udnyttes i rensningsanlæg (denitrifikationsanlæg) til at fjerne nitrat fra spildevand.

Da N2O er en kraftigt virkende drivhusgas, undersøger man i disse år, hvordan man kan reducere dannelse og afgivelse af N2O. Planter og mikroorganismer kan reducere nitrat til ammonium for at indbygge det i aminosyrer. Denitrifikation kan også foregå rent kemisk, når et reducerende stof, fx Fe2+, reducerer nitrat til nitrit eller til frit kvælstof.

Hvor stor er denitrifikationen?

Til top
Denitrifikationen er kvælstofbalancernes store "problembarn", fordi denitrifikationen er en utrolig variabel størrelse, som afhænger af en lang række ydre faktorer, der er vanskelige at forudsige. Denitrifikation i jord foregår typisk i ”hot spots” og varierer meget over tid. Processen vil typisk forekomme på en lille procentdel af arealet og kun på få dage i løbet af året. Processen er derfor meget vanskelig at kvantificere.

Eksempel

I 1990 blev denitrifikationen målt i markforsøg efter udbringning af henholdsvis afgasset og ubehandlet kvæggylle. Efter udbringning af den ubehandlede gylle blev der målt denitrifikationstab på ca. 20 kg N pr. ha over en 16 dages periode. Efter udbringning af afgasset gylle blev der kun målt et tab på ca. 5 kg N pr. ha. Forsøgene viste i øvrigt, at størstedelen af denitrifikationstabet fandt sted i tidsrummet 1-4 døgn efter udbringningen. Ved forsøg med slangeudlægning af afgasset og ubehandlet kvæggylle til vårbyg i vækst i 1991 blev der målt en relativt beskeden denitrifikation (1,2 kg N pr. ha over en 10 dages periode for ubehandlet gylle). Biogasbehandling af gyllen reducerede denitrifikationen til 0,4 kg N pr. ha. Målingerne viser, at denitrifikationen er betydelig mindre fra afgasset gylle end fra ubehandlet gylle. Risikoen for kvælstoftab ved denitrifiaktion er størst ved udbringning på våd jord og med udsigt til store nedbørsmængder umiddelbart efter udbringning. En reduktion af denitrifikationen betyder også en reduktion i emissionen af lattergas.

Empirisk model

På grundlag af de målinger, der er gennemført er der udviklet en empirisk model (kaldet SimDen), hvor denitrifikationen kan beregnes med kendskab til mængden af kvælstof, der er tilført, og til jordtypen. Modellen tager udgangspunkt i den kendsgerning, at der ved denitrifikation dannes både frit kvælstof (N2) og lattergas (N2O), og denitrifikationens omfang beregnes som et produkt af den beregnede lattergasemission og forholdet mellem frit kvælstof og lattergas. Lattergas-emissionen beregnes på grundlag af kvælstof-input og emissionsfaktorer, og forholdet mellem frit kvælstof og lattergas er fastsat på grundlag af litteraturværdier, mens afhængigheden af jordtype og gødningsanvendelse beskrives som funktioner af jordens vandindhold og tilgængeligheden af organisk stof. I SimDen-modellen er beregningerne opdelt efter jordtype, gødningstype og jordens frugtbarhed eller forhistorie mht. tilførsel af organisk materiale. Beregningerne gennemføres ved, at man indtaster mængden af tilført kvælstof (handelsgødning, husdyrgødning og/eller N tilført via N-fiksering), hvorefter denitrifikationen for de nævnte kombinationer beregnes.

Der er 2 versioner af modellen, som kan hentes her:

Faktaboks 

Drivhusgasserne tillader solens kortbølgede stråling at passere Jordens atmosfære nogenlunde uhindret, mens de samtidig kan absorbere en del af den langbølgede varmeudstråling fra Jorden, der reflekteres, når sollyset rammer Jorden.

Naturlige drivhusgasser

Til top
Hovedparten af vanddamp i atmosfæren fremkommer ikke ved menneskeskabte udledninger, men derimod som følge af, at vand fordamper fra havet og fra planterne Desuden er der en meget stor virkning fra skyernes mikroskopiske vanddråber og iskrystaller.

De vigtigste naturlige drivhusgasser er vanddamp (H2O) og kuldioxid (CO2). Stoffer som metan (CH4), lattergas (N2O), der alle findes naturligt i atmosfæren, har også en forstærkende effekt på drivhuseffekten. Desuden er ozon (O3) også en drivhusgas.

Levetiden af de fleste drivhusgasser er så lang, at de næsten fuldstændigt blandes op i atmosfæren. Det er derfor stort set ligegyldigt, hvor udslippene sker.

De enkelte gassers bidrag til forøgelse af drivhuseffekten er ikke kun bestemt af deres koncentration, men også af deres evne til at absorbere varmestråling og deres levetid i atmosfæren. Disse virkninger kan sammenregnes i et såkaldt opvarmningspotentiale.

Læs mere om naturlige drivhusgasser.

Menneskeskabte drivhusgasser

Til top
De mest betydningsfulde menneskeskabte drivhusgasser er CO2, CH4 og N2O. Dertil kommer gruppen af halocarboner, som inkluderer de industrielt fremstillede CFC-gasser, HCFC'er, PFC'er og SF6, der kemisk set kan samles under betegnelsen halocarboner.

Atmosfærens indhold af CO2, CH4 og N2O er steget markant siden 1750 (se figur 1) som følge af menneskets aktiviteter og er nu langt højere end før-industrielle værdier bestemt ud fra iskerner, som dækker mange tusinde år. Stigningen i kuldioxid-koncentration skyldes primært brug af fossile brændsler (kul, olie og naturgas), mens stigningen i CH4 og N2O skyldes landbrug.

CO2 er den vigtigste menneskeskabte drivhusgas og data fra iskerner viser, at den atmosfæriske koncentration på 379 ppm i 2005, ligger langt over det naturlige interval over de seneste 650.000 år (180 til 300 ppm). Vækstraten er fortsat stigende.

Koncentrationen af CH4 var 1774 ppb i 2005, hvilket ligeledes ligger langt udenfor det naturlige interval (320 til 790 ppm). Her er vækstraten dog faldet siden starten af 1990’erne, idet de totale udslip (naturlige og menneskeskabte) har været næsten konstante i perioden.

Indholdet af N2O er siden industrialiseringen steget fra 270 ppb til 319 ppb i 2005. Vækstraten har været næsten konstant siden 1980.

Forståelsen af de menneskeskabte klimapåvirkninger er øget siden IPCC’s Tredje Hovedrapport, og panelet vurderer:

at nettoeffekten af menneskets klimapåvirkning med meget stor sandsynlighed er en opvarmning,

at de menneskeskabte øgninger af drivhusgaskoncentrationerne meget sandsynligt har forårsaget det meste af den globale opvarmning siden midt i det 20. århundrede.

Læs mere om Menneskeskabte drivhusgasser.

 

Figur 1. Udvikling i atmosfæriske drivhusgasser.


Kilder

Drivhusgasser
Energistyrelsen

Kvælstoftabet ved denitrifikation reduceres 3-4 gange ved afgasning af gylle, 2008
DLBR Landbrugsinfo

Permafrost og lattergas 2010
Københavns Universitet

SimDen - en simpel model til beregning af denitrifikation af N2O-emission 2004
Institut for Jordbrugsproduktion og Miljø, Det Jordbrugsvidenskabelige Fakultet, Aarhus Universitet

Vandmiljøplan II. Genopretning af vådområder. Hæfte 2: Hydrologi, stofomsætning og opmåling, afsnit 1-2.

Skov- og naturstyrelsen.

Til top