AU

Kalken i naturens processer


Næringsfattige søer og damme i kalkrige miljøer rummer kransnålalger og vandplanter med tykke kalkbelægninger. Det signalerer, hvor tæt arternes tilstedeværelse og livsprocesser samt stofcirkulationen er knyttet til kalk.


Af Kaj Sand-Jensen, Jonas Stage, Emil Kristensen og Theis Kragh


Kalk – kalciumkarbonat – er til stede overalt omkring os. Kalken er særlig synlig i den rene, hvide skrivekridt i Møns Klint og i de nordjyske kalkgrave. Skrivekridtet blev skabt af mikroskopiske kalkplader fra marine kalkflagellater, som sank til bunds i Kridthavet. Andre kalkaflejringer blev dannet af kalkskeletter fra marine mosdyr og koraller eller kalkskaller fra armfødder, muslinger og snegle. Korallerne benytter kalken både som et indre skelet og en revdannende struktur. Hårde kalkskaller hos muslinger, snegle og krebsdyr skaber et ydre skelet, der beskytter bløddelene indenfor. Hvirveldyrenes skelet og tænder består af kalk forstærket med fosfat. Ude i verden er der dannet veritable kalkbjerge, og i den danske undergrund ligger 500-2000 meter tykke kalk­aflejringer. I Østdanmark er kalken blandet godt og grundigt op til overfladen og præger agerjordens frugtbarhed og jordvands og ferskvands kemi, der bestemmer artsudvalget af planter og dyr (boks 1).

Under kalkudfældning frigøres brintioner, som alger, planter og koraller bruger til at omdanne opløst hydrogen­carbonat (bikarbonat) til CO2, som fotosyntesen benytter. Dyr og planter kan også bruge de frigjorte brintioner fra kalkudfældningen til at skabe gradienter af brintioner over overflademembraner til aktiv optagelse af andre opløste stoffer. Rødder hos landplanter kan eksempelvis benytte kalkudfældning i jorden til at optage eftertragtede næringsioner.

Den dannede kalk har en anden vigtig funktion. Ved truende forsuring af omgivelserne eller risiko for forsuring af organismerne kan kalken neutralisere syren. Mens de kalkfattige søer i Norge og Sverige blev voldsomt forsurede under syreregnen fra kulfyrede kraftværker i 1960-1980’erne, kunne de kalkrige danske søer neutralisere den sure nedbør. Skalbærende snegle, som overlever perioder med iltsvind, kan opretholde stofskiftet ved at forgære større organiske stoffer til små organiske syrer, som kan neutraliseres ved at opløse kalk i kropsvæsken eller i skallerne.

Vi møder altså kalken i utallige sammenhænge både under Jordens geologiske udvikling, i dyrs og planters livsprocesser og i nutidens stofcykler. Men ofte betragter vi kalkdannelse som noget, der skete i fortiden, og selv fagfolk overser, at kalkdannelse og kalkopløsning den dag i dag er tæt knyttet til organismers fotosyntese-respiration, pH-regulering og til cirkulationen af kalcium, kulstof og fosfor i miljøet. Da fosfor danner kalk-fosformineraler, påvirker kalkdannelse og kalkopløsning i høj grad fosforens tilgængelighed for algers og planters vækst.



Fotosyntese og respiration med kalk

Vores indgang til emnet har været studier af ti damme i kalkstenbrud på Øland i Østersøen. Den stenhårde kalksten fra Ordovicium brydes her til fliser, der fra gammel tid er blevet brugt i murene omkring øens tyve ringborge, i markdiger, i husfundamenter, i møllesten og til eksport som gangfliser og facadefliser.

Dammene modtager vand fra omgivelserne med opløst kalcium og hydro­gencarbonat (HCO3-) som resultat af forvitring (opløsning) af kalkstenen (boks 1). Men da den hårde kalksten forvitrer langsommere end den porøse danske skrivekridt og kalkfragmenter i danske muldjorde, er koncentrationen af kalcium og hydrogencarbonat faktisk dobbelt så høj i østdanske søer som i ølandske damme.

I forsommeren er dammene propfyldte med halvmeter høje kransnålalger med tykke kalkbelægninger på deres overflader. Kalken udgør i snit næsten tre fjerdedele af kransnålalgernes samlede tørvægt. Da kulstoffets vægtandel i kalken er 12%, mens den er 40% i algevævet, er forholdet mellem kulstof bundet i vævet og i kalkbelægningen omkring 1,25. Kulstof forsvinder i højere grad fra det organiske stof end fra kalken, når døde kransnålalger nedbrydes, så kulstofforholdet er lidt under 1,0 i sedimentet. Nedbrydningen af det organiske stof ved respiration i de levende alger og ved bakteriernes nedbrydning i sedimentet frigør samtidigt den CO2, som genopløser kalken (boks 2).

Almindelig Kransnål har tykke kalk-belægninger på overfladen. De røde kugler er hanlige formerings­organer. Foto: Jens Chr. Schou

Vi blev overraskede over, hvor intens kalkdannelse foregår på algerne om dagen og i betydeligt omfang genopløses af  CO2 dannet ved algernes respiration om natten. Genopløsningen i konstant mørke nede i sedimentet ved høje  CO2 -koncentrationer, skabt ved bakteriernes stofnedbrydning, var derimod helt som forventet. Kalkudfældning og genopløsning er således mere dynamiske processer, end man hidtil havde forestillet sig.

Kalkdannelse og kalkopløsning
stabiliserer pH

Fotosyntese forbruger CO2, mens respiration omvendt frigør  CO2 . Da  CO2 opløst i vand danner kulsyre, øger fotosyntesen pH, mens respirationen reducerer pH. pH-svingninger modvirkes i betydelig grad af hydrogencarbonat i vandet, fordi hydrogencarbonat er en buffer, der både kan neutralisere syre og base. Men selv ved et ganske højt hydrogen­carbonatindhold skaber fotosyntese og respiration alligevel betydelige pH-svingninger. Kalkudfældning under fotosyntese og kalkopløsning under respiration dæmper disse pH-svingninger – stabiliserer pH yderligere – og stabiliserer derved også livsprocesserne. Hvis fotosyntesen fordeler den forbrugte  CO2 ligeligt til nyt organisk stof og udfældet kalk, så forbliver pH faktisk konstant. Tilsvarende, hvis al  CO2 frigjort ved respiration genopløser kalken, så er pH også uændret. Derfor er kalkdannelse og kalkopløsning vigtige for pH-stabilisering. Kransnålalger og andre planter i vand kan direkte koble fotosyntese og kalkudfældning sammen og derved modvirke den pH-stigning, som hæmmer fortsat fotosyntese. Er koblingen perfekt, vil lige dele kulstof gå til dannelse af organisk kulstof og udfældet kalk.

Det målte forhold mellem kulstof i væv plus kalkbelægning på kransnålalgerne på i gennemsnit 1,25 overstiger 1,0 og understreger dermed, at foto­syntesen indbygger en lidt større andel af kulstoffet i organisk stof fremfor i kalk. Om dagen under selve fotosyntesen må forholdet være endnu højere end 1,25, eksempelvis ved direkte indbygning af  CO2 i organisk stof, så der bliver plads til et natligt tab af organisk kulstof ved respiration.

Førhen forestillede man sig ikke, at udfældet kalk blev opløst direkte ved algers respiration i mørke. Kalkbelægningerne ser jo ganske hårde og hærdede ud på overfladen. Men kalken afsættes indefra i belægningen i direkte kontakt med algernes overflade og vokser i tykkelse udad og hærdes sandsynligvis med alderen. Vi har nu påvist, at kalkopløsning finder sted på algerne i mørke. Vi forestiller os, at noget af den nyudfældede kalk i umiddelbar kontakt med kransnålalgerne opløses ved den reducerede pH, som den frigjorte  CO2 fra nattens respiration skaber. Forsøgene viser nemlig, at kalkopløsningen stiger markant, når pH falder og  CO2 samtidigt stiger (se figur). Ved pH 8 er  CO2 i vandet i ligevægt med luften, og kalken opløses ikke, men ved pH 7 er  CO2 overmættet mere end ti gange i vandet, og kalken opløses. En så lav pH kan opstå om natten under kalkbelægningerne i umiddelbar kontakt med algernes overflade.

Opløsning af kalkbelægningen på kransnålalger i mørke og dermed frigivelsen af kalcium øges markant, når pH falder fra 8 til 7.
Koncentrationen af fosfor i kalkbelægningen stiger med øget fosforindhold i det underliggende væv hos individer fra fire arter af kransnålalger.

Kransnålalger afsætter kalken i bånd eller over hele overfladen. Vandplanter som vandpest og vandaks afsætter udelukkende kalken ved høj pH på bladoversiden, mens bladundersiden er sur. Det er oplagt, at kalkbelægningerne kan beskytte vævet mod at blive ædt. Det er svært for dyrene at komme ned til det næringsholdige væv under et tykt kalklag. Bider dyrene store stykker af alger og planter, må de have hårde munddele og stor bidestyrke og alligevel vil fødeudnyttelsen blive hæmmet af, at langt det meste af føden er ufordøjelig kalk.

Det mærkelige er, at kalkens oplagte beskyttelse hos kalkflagellater, kransnålalger og vandplanter mod at blive ædt, aldrig er blevet undersøgt nærmere. Men vi forestiller os, at det under kransnålalgernes 360 millioner år lange udviklingshistorie har været en samlet fordel at udfælde kalk for at holde fotosyntesen kørende, stabilisere pH og mindske dyrenes græsning på algerne. Endvidere kan kalkbelægningernes stive struktur hjælpe med at holde kransnålalger oppe i vandsøjlen. I modsætning til karplanterne har algerne ikke støttevæv til at stive sig af med.

Intens kalkudfældning og genopløsning

Når fotosyntesen i de lavvandede damme er mest intens, forbruger kransnålalgerne op mod 40% af hele puljen af uorganisk kulstof i vandet i løbet af dagen; typisk går 24% af puljen til opbygning af nyt organisk stof og 16% til nyudfældet kalk. Fortsætter dette tab i 2-3 dage uden gendannelse eller nytilførsel af uorganisk kulstof udefra, så er al uorganisk kulstof brugt op, og fotosyntesen vil gå totalt i stå. Men så galt går det ikke. En del af puljen gendannes nemlig ved respiration og kalkopløsning i sedimentet, en anden del gendannes ved de samme processer om natten på algerne, og en tredje del leveres af nyt vand udefra og CO2-optagelse fra luften.

På trods af betydelig gendannelse falder puljen af uorganisk kulstof og kalcium i vandet alligevel en del om sommeren i damme og søer i takt med, at kalklaget opbygges på planter og kransnålalger, på sten med fasthæftede alger og på sedimentbunden. Kalkudfældning på bunden i store søer skyldes intensiv fotosyntese af mikroskopisk planteplankton i vandet, som får pH i vandet til at stige til 9-10. Herved omdannes hydrogencarbonat til karbonationer, som overskrider opløseligheden af kalciumkarbonat i vandet og derfor danner små nåleformede kalkkrystaller, der synker til bunds.

Fænomenet optræder i de fleste østdanske søer om sommeren. Er søen uden gravende bunddyr bliver resultatet tynde hvide kalklag i sedimentet om sommeren afbrudt af mørkere lag uden kalk fra udsynkning af partikler i resten af året. Kalklagene fremstår som tynde årringe ned gennem sedimentet, der angiver lagenes alder på samme måde, som vi kender det fra årringe i træstammer.


Langbladet Vandaks fælder kalk ved høj pH på bladets overside under fotosyntesen, mens bladets underside forbliver sur. Foto: Emil Kristensen

Når kalkudfældninger på overfladen af planter og sten spules rene af efterårsstorme, ender kalken ude på den dybe søbund. Gamle beskrivelser fra Furesøen omkring år 1900 fortæller, hvordan kalken om sommeren beklædte sten, kransnålalger og vandplanter fra søbredden ud til 10 meters dybde. Kalken blev eroderet af bølger om efteråret, som fyldte vandmassen med kalkfnug, der efterhånden sank til bunds. Sådan så mange kalkrige danske søer faktisk ud, før forureningen for alvor satte ind, bundplanterne forsvandt, og stenkysten blev overvokset med Tagrør.

Fosfor bindes til kalken

Fosfor og kalk er et helt kapitel for sig. Fosfor har en nøglerolle i naturen, fordi det ofte er det næringsstof, der begrænser planteproduktionen allermest. Øget fosfortilførsel har således været den vigtigste grund til opblomstring af planteplankton i søernes vandmasser. Forureningsbekæmpelsen gennem de seneste 70 år har derfor haft fokus på at rense spildevandet og begrænse fosfortilførslen fra dyrkede marker til miljøet.

Fosfor binder sig kraftigt til kalk­overflader og danner tungtopløse­lige kalkfosfater i sedimenter. Forår og sommer er der næsten intet opløst fosfat i vandet i dammene på Øland. Til gengæld er der store fosforpuljer i kransnålalgerne, hvoraf to tredjedele sidder i vævet og den resterende tredjedel i algernes kalkbelægninger. Fosforen i kalkbelægningerne er en ny opdagelse. Det er så store fosforpuljer, at de næppe kan stamme fra vandet. Til gengæld er store fosforpuljer bundet nede i det kalkrige sediment. Kransnålalgerne optager næringsstoffer med de rodlignende rhizoider i sedimentet, og sandsynligvis kan de, i lighed med kalkplanter på land, frigøre kalkbundet fosfor i sedimentet, eksempelvis ved at udskille citronsyre eller andre syrer og derefter optage fosforen og fordele den til skuddet. Bakterier og svampe i kontakt med rhizoiderne kan måske også lokalt forsure kalken og frigøre fosfat, som det er påvist hos havgræsser, der vokser på marine kalksedimenter.

Ved fotosyntese og kalkudfældning på kransnålalgernes overflader foregår intensiv aktiv iontransport, og noget fosfat risikerer at blive tabt passivt. Det passer med, at vi har fundet en positiv sammenhæng mellem fosforkoncentrationen i vævet hos forskellige arter og skuddele og i den tilknyttede kalkbelægning. Derfor foreslår vi, at fosfor i kalkbelægningen skyldes passive tab fra algernes overflade, som fanges i kalkbelægningen. Hvis al denne fosfor i kalkbelægningerne havde været tilgængelig for planktonalger i vandet, ville de vokse kraftigt og farve vandet mørkegrønt og derved udskygge kransnålalgerne. Men vandet forbliver krystalklart og med få planktonalger.

Hidtil har man forklaret kransnålalgernes evne til at holde vandet krystalklart med, at deres kalkbelægninger kunne strippe vandet omkring dem for opløst fosfat. Vi foreslår i stedet, at de skaber et kalkholdigt sediment, der binder fosfor, mens de selv optager fosfor herfra, men forhindrer, at den lækker ud i vandet ved at genudfælde det tabte i kalkbelægninger på deres overflade.

Kalkrige danske søer

Så længe fosfortilførslen til søerne er lav, kan kalkudfældningen fortsat immobilisere fosforen for planktonalger og holde vandet klart. Sådan var forholdene i de fleste østdanske søer i gamle dage, inden fosfortilførslen blev for høj og oversteg søernes selvrensning knyttet til bundalgers og vandplanters kalkudfældning. Vi studerer de få kalksøer, som undgik at blive forurenede herhjemme og de nye kalksøer, som opstår i den uforurenede istidsjord i råstofgrave. Nymølle Sø i Hedeland ved Roskilde domineres af kransnålalger med masser af kalk og tilknyttet fosfor i kalkbelægninger og i sedimentet på samme måde som i dammene på Øland. Sådanne råstofsøer bør være højt prioriterede, fordi vandet er klart og huser de nøjsomme arter, som ellers er ved at forsvinde fra Danmarks natur. ♦