Typpi pyörittää kaikkea elämää

Kasvaako kesämökkisi pihalla herneitä tai papuja? Tai bongasitko tien varresta lupiineja?

Seuraavan kerran tee seuraavanlainen pieni kenttätutkimus: nosta yksi kasvi tutkimusmielessä juurineen ylös maasta. Juurien ympärillä, multakokkareiden seassa, sinun pitäisi erottaa (ainakin suurennuslasin kanssa) pieniä valkoisia rakkulan näköisiä juttuja.

Niissä valkoisissa rakkuloissa, joita myös noduuleiksi kutsutaan, on meneillään yksi maailman Suurista Ihmeistä. Ihme liittyy typpeen. Ennen kuin palataan rakkuloihin, kerrataan esin perusasiat typestä.

Ilmakehämme koostuu 78-prosenttisesti typestä. Tuon verran moni muistaa yläasteen kemian tunneilta. Mutta mitä muuta tiedämme typestä, alkuaineesta, josta elämämme on riippuvainen?

Se on väritön ja hajuton kaasu, mutta samalla erittäin reaktiivinen ja räjähdysherkkä alkuaine. Antiikin Kreikassa typpi tunnettiin nimellä ‘azote’, mikä tarkoittaa elotonta. Ihmiset ja eläimet kuolisivat ilmakehässä, joka koostuu pelkästään typestä.

Se typpi, jota hengittelemme ilmakehästä, on muotoa N2 eli sen muodostaa kaksi typpimolekyyliä. Näitä kahta molekyyliä pitää yhdessä mahdottoman vahva kolmoissidos. Kaikki on hyvin, kunhan tuo sidos pysyy paikallaan.

Mutta jos sidos jostain syystä pääsee katkeamaan, typen luonne muuttuu aivan dramaattisesti. Siitä tulee epävakaa ja reaktiivinen, räjähdysherkkä.

Sellaiset räjähteet kuten nitroglyseriini ja TNT eli trinitrotolueeni ovat typestä, hapesta, vedystä ja hiilestä koostuvia yhdisteitä. Niiden toiminta perustuu tietämykselle siitä, että kunhan vain tuo typpimolekyylit yhdistävä kolmoisside saadaan katkaistua, vapautuu sidoksen katkeamisesta seuraavista reaktioista valtava määrä lämpöä ja energiaa.

Mutta paljon tärkeämpi tehtävä typellä on kehoissamme.

Kehomme välttämättömät koneiston pyörittäjät eli aminohapot sisältävät typpeä.

Kaikki tarvitsevat typpeä. Ihmiset, eläimet ja kasvit.

Kasveille typpi on välttämätön ravinne, koska myös ne tarvitsevat soluihinsa näitä pikku koneistoja. Mikseivät kasvit sitten ota typpeä suoraan ilmakehästä, jossa sitä on yllin kyllin, 78 prosenttia?

Ilmakehän typpi on kasveille liian paha pala purtavaksi. Ne eivät pysty rikkomaan typpimolekyylin lujaa kolmoissidosta ja siten vapauttamaan itselleen sopivaa reaktiivista typpeä käyttöönsä.

Jotain pitäisi siis keksiä avuksi.

Nyt pääsemme tarinassa takaisin niihin alussa mainitsemiini juurinystyröihin eli noduuleihin.

Tällaisia noduuleja sijaitsee palkokasveiksi (legumes) kutsutuissa kasveissa, kuten herne- ja papukasveissa. Täällä Etiopiassa ja muualla Afrikan mantereella palkokasveja on hyvin monimuotoisia – ne vaihtelevat yksivuotisista yrteistä valtaviin puulajeihin.

Noduuleissa asustaa bakteereja, jotka pystyvät muuntamaan ilmakehän typen kasveille sopivaan muotoon. Bakteerien fasilitoiman prosessin ansiosta ilmakehän typpi (N2) muuntuu kasveille käypäksi typen muodoksi, esimerkiksi ammoniakiksi.

Ei ole siis suinkaan liioittelua sanoa, että kaikki elämä ja elävä maapallolla perustuu tähän pikkuisten bakteerien suorittamaan typensidontaprosessiin.

Palkokasvit elävät näiden bakteerien kanssa symbioosissa (on toki myös bakteereita, jotka eivät tarvitse typensidontaan tällaista symbioosia). Symbioosissa kasvit erittävät noduuleissa eläville bakteereille sokereita ja bakteerit antavat niille vastalahjana typpeä.

Kun kasvi sitten joskus kuolee, jäljellä oleva typpi vapautuu maaperään muiden eliöiden käytettäväksi. Siitä tulee myös nimitys viherlannoitus (green manure) – palkokasvit tekevät hyvää maaperälle. Toki ruuantuotannossa kasvi korjataan sadoksi, ja palkokasvien hyödyllisyyttä voidaankin mitata sillä, kuinka suuri osa sidotusta typestä jää maaperään ja kuinka suuri osa lähtee sadon mukana pois.

Viljelijät ovat huomanneet palkokasvien suotuisat vaikutukset maaperään jo tuhansia vuosia sitten. Etiopiassakin on paljon paikallisia ja kotoperäisiä palkokasveja, joiden yleisyys viljelyssä on toisaalta on vähentynyt hieman satoisampien ja muilta mantereilta tuotujen lajien vallatessa alaa.

Etiopiasta lähtöisin on esimerkiksi typpeä sitova noug eli niger seed, joka on kuitenkin menettänyt suosiotaan viljelykierroissa käytettävänä kasvina. Se on sääli, koska palkokasvit paitsi parantavat maan viljavuutta, mutta myös tarjoavat viljelijätaloudelle proteiinipitoista ravintoa.

Mutta ei koko maapallon typenjanoa ole saatu sammutettua pelkästään bakteerien tekemällä työllä. Typpeä on tarvittu yhä enemmän satojen kasvattamiseksi.

1800-luvulla typpilannoitteena käytettiin esimerkiksi guanoa eli linnunkakkaa tai Chilestä tuotua salpietaria.

Nykyisin emme enää heitä linnunkakkaa pellolle, vaan jotakin ihan muuta. Mutta mitä, siihen vastaus löytyy Ludwigshafenista Saksasta, joka on yksi ihmiskunnan nerokkaimpien (ja kuten myöhemmin voitte lukea, tuhoisimpien) keksintöjen kehto.

Ludwigshafenissa keksittiin Haber-Boschin prosessi, eli prosessi, jonka avulla alettiin teollisesti valmistaa ammoniakkia. Joidenkin mielestä tämä on 1900-luvun tärkein keksintö.

Prosessin idea tuli kemistiltä nimeltä Fritz Haber. Hän todisti laboratorio-oloissa, että prosessi olisi mahdollinen, mutta sen käytäntöön viemiseen tarvittaisiin valtavan suuria lämpötiloja ja paineita.

Haasteeseen tarttui agrokemikaaliyritys BASF, joka Carl Bosch-nimisen insinöörinsä johdolla rupesi rakentamaan tehdasta.

Tehdas otettiin käyttöön vuonna 1912, aivan ensimmäisen maailmansodan kynnyksellä.

Vaikka tehtaan tarkoituksena oli pelastaa maailma ruokapulalta, sen tuotoksia käytettiin kuitenkin aluksi hyvin erilaisiin tarpeisiin. Ensimmäisen maailmansodan aikana tehtaassa valmistettiin ammuksia.

Nykyisin suurin osa Haber-Boschin metodilla tuotetusta ammoniakista menee lannoitteiden valmistukseen, ja lannoitteiden ansiosta maailman ruuantuotanto onkin onnistunut kasvavamaan rinnan väestön kanssa.

Nykyisin lannoiteteollisuus on hyvin keskittynyttä, ja ainoastaan viisi maata kontrolloi 50-80 prosenttia maailman typpi, -fosfaatti- ja kaliumlannoitteiden tuotantokapasiteetista.

Typpilannoitteiden avulla ruuantuotantoa on pystytty kasvattamaan, mutta sen myötä ovat tulleet myös ongelmat.  Lannoitteet voivat huuhtoutua pelloilta jokiin ja pohjavesiin, ja monissa vesistöissä lannoitehuuhtoumat ovat aiheuttaneet rehevöitymistä.

Vuosisadan puoliväliin mennessä meillä voi olla uudenlainen kriisi edessä, nimittäin valtamerin rehevöityminen. Sillä voi olla tuhoisia seurauksia kalakantoihin ja merestä elantonsa saaville ihmisille.

Ja voiko ekosysteemipalveluiden virkistymisarvoja mitata rahassa? Kuinka monia surettaa nähdä leväinen Itämeri kesän ensimmäisinä helleviikonloppuina?

Samalla valtiot kamppailevat irti lannoiteriippuvuudestaan. Esimerkiksi Etiopia yrittää vähentää riippuvuuttaan ulkomailta tuoduista lannoitteista. Tällä hetkellä maassa on meneillään lähes 3 biljoonan suuruinen valtion rahoittama projekti, jonka lopputuloksena maahan valmistuu viisi uutta lannoitetehdasta. Tavoitteena on, että kukin tehdas pystyy vuodesta 2017 alkaen tuottamaan vuodessa 300 000 tonnia lannoitteita.

Samalla soisi toivoa, että Etiopiassa ei unohdettaisi paikallisten palkokasvien hyödyllisyyttä viljelyssä. Oikeanlainen lannoitus vaatii tietämystä maaperän ominaisuuksista ja paikallisista kasveista. Liian usein lannoiteneuvonta on täällä sitä, että sanotaan pelkästään, että lisää tämän ja tämän verran diammoniumfosfaattia ja ureaa, ja hyvä tulee – ei läheskään aina tule.

Samanlaisia omavaraisuuteen liittyviä kysymyksiä pohditaan Suomessakin. Voitaisiinko esimerkiksi kompostointia, biokaasua, lantaa hyödyntää paremmin, tai voitaisiinko puhdistamolietteiden ja teollisuuden jätteitä ravinteita kierrättää takaisin ruuantuotantoon?

Suomella luulisi olevan suuret intressit tällaisen tutkimus- ja yritystoiminnan tukemiseen, koska omavaraisuusasteemme typpilannoitteiden saatavuuden suhteen on yksi ruokaturvamme heikoimmista lenkeistä. Niiden valmistukseen tarvittava ammoniakki tuodaan Suomeen ulkomailta, ja pahimman varalta Huoltovarmuuskeskus varastoi sitä pieniä määriä.

Palataan vielä Fritz Haberiin.  Haber jatkoi sotavuosina työtään kehittelemällä kemiallisia aseita. Tämä oli liikaa Haberin kemistivaimolle Claralle, joka tappoi itsensä myrkkykaasujen tullessa markkinoille.

Fritzille kuitenkin jaettiin – monien vastustuksesta huolimatta – kemian Nobel vuonna 1918 hänen typpeen liittyvästä mullistavasta keksinnöstä.

Sodan jälkeen Fritz jatkoi kehitystyötään ja toi markkinoille erilaisia torjunta-aineita sekä typpipohjoisia toksiineja, kuten syaniidin.

Haber oli syntyjään juutalainen ja hänen työnsä Saksassa saikin yllättävän päätöksen vuonna 1933. Natsi-Saksan muuttuessa hänelle sopimattomaksi maaksi asua, Haber lensi Englantiin, jossa häntä ei kuitenkaan otettu vastaan, sillä muut kemistit kritisoivat hänen sodan ajan puuhiaan.

Vuotta myöhemmin Haber lähti Palestiinaa kohti mutta kuoli matkalla sydänkohtaukseen. Myöhemmin Saksassa Haberin lähipiiriä kuoli keskitysleireillä Zyklon B-myrkkykaasuun. Siis samaiseen kaasuun, jota Haber itse oli ollut kehittelemässä – ja jonka valmistus perustui Haber Bosch-prosessiin.

Ja typpi se yhä edelleen pyörittää kaikkea elämää. Iso osa sinunkin kehosi typestä on todennäköisesti peräisin Haber-Boschin prosessista. Mutta ainakin kerran elämässä kannattaisi myös kiittää maaperän ihmeolentoja, niitä noduuleissa eläviä pikku bakteereita.

– – –

Tämä kirjoitus inspiroitui vahvasti (ja myöskin pitkälti perustuu siihen) BBC:n toimittajan Justin Rowlattin jutusta “Nitrogen – The bringer of life and death”.

2 thoughts on “Typpi pyörittää kaikkea elämää

  1. Oli taas niin mielenkiintoinen kirjoitus, että pysähdyin keskelle mökkipolkua lukemaan sen. Ja onhan nämä kaikki olleet. Asiantuntevaa, ajankohtaista ja koukuttavasti kirjoitettua luettavaa.

    1. Voi kiitos Heikki. Olen otettu, kun tällainen palaute tulee sinulta! Ihanaa juhannusta sinne kaikille.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s