Organisch Bemesten: Hoe Micro-Organismen Er Voor Zorgen Dat Er Ammonium En Nitraat Vrijkomt Uit Organische Stikstofrijke Plantenvoeding

Organisch Bemesten: Hoe Micro-Organismen Er Voor Zorgen Dat Er Ammonium En Nitraat Vrijkomt Uit Organische Stikstofrijke Plantenvoeding

Wie op een biologische manier planten wilt gaan kweken, zal organische plantenvoeding moeten gebruiken om de grond van stikstof te voorzien. Stikstof is een onmisbare voedingsstof voor alle planten. Om het juiste organische materiaal op het juiste moment aan de grond toe te voegen helpt het om wat meer te weten over hoe ammonium en nitraat, de stoffen die planten gebruiken om aan hun stikstof te komen, vrij komen uit organische plantenvoeding. In dit artikel beschrijven we eerst hoe goede micro-organismen ammonium en nitraat vrij maken uit organische plantenvoeding. Daarna bespreken we hoe de eigenschappen van de organische plantenvoeding invloed hebben op de hoeveelheid  en de snelheid waarmee ammonium uit organische materiaal vrijkomt. Als laatste bespreken we waardoor ammonium en nitraat weer uit de bodem kunnen verdwijnen.

De afbraak van stikstofrijk organisch materiaal in ammonium en nitraat

Wanneer er een blad van een plant valt, een muis een keutel uit poept, of een insect dood neer valt, dan komt er organisch materiaal op de bodem terecht. Organisch materiaal is dan ook een verzamelnaam voor al het “afval” van dat door alles wat leeft in de aarde geproduceerd wordt. Dit kunnen dus hele planten of dieren zijn die dood zijn gegaan, maar ook het materiaal dat levende planten en dieren laten vallen, zoals bladeren of ontlasting. Daarnaast omvat organisch materiaal ook al het materiaal dat afkomstig is van planten en dieren dat mensen bewust aan de aarde toevoegen, zoals zelf gekweekte plantenresten waarvan bekend is dat ze rijk zijn aan stikstof of organische plantenvoeding uit een doos. Overigens valt onnatuurlijk afval dat allen in een fabrieken kan ontstaan, zoals plastic zakjes of frisdrank blikjes, niet tot de groep organische materiaal.

Wanneer het organische materiaal meer dan 1,5% stikstof bevat, dan wordt het meestal gerekend tot de groep stikstofrijk organische materiaal dat gebruikt kan worden om planten van stikstof te voorzien. Ondanks dat organisch materiaal bijvoorbeeld 7% stikstof bevat, betekent dit niet dat planten ook meteen extra stikstof kunnen opnemen wanneer dit in de bodem terecht komt. Dit geldt zowel voor zelf gekweekt organisch materiaal als voor gekochte organische plantenvoeding. Dat planten niet meteen meer stikstof kunnen opnemen wanneer er stikstofrijk organisch materiaal aan de bodem wordt toegevoegd komt, omdat de stikstof nog “gevangen” zit in de proteïne moleculen. Proteïne, die ook wel eiwitten worden genoemd, zijn helaas te groot om door de openingen in de wortels van planten te gaan. Om de stikstof uit organisch materiaal te kunnen opnemen, moeten de proteïne moleculen en andere moleculen die veel stikstof bevatten, eerst door goede micro-organismen bewerkt worden. Dit gebeurt in enkele stappen, die we hieronder uitleggen.

Proteolyse: van proteïne naar peptide en losse aminozuren

Een proteïne is een soort lange ketting, waarvan de kralen gemaakt zijn van aminozuren. Aminozuren bestaan op hun beurt weer uit verschillende deeltjes, waaronder in ieder geval stikstof (N), waterstof (H), koolstof (C) en zuurstof (O). De proteïne moeten door goede micro-organismen kleiner gemaakt worden voordat planten ze kunnen opnemen.

De eerste stap in de afbraak van de proteïne in het organische materiaal heet proteolyse. Dit deel van het afbraakproces wordt door verschillende soorten micro-organismen gedaan. Hele proteïne zijn ook voor micro-organismen te groot om te worden opgenomen. Dit komt, omdat ze geen mond met tanden hebben zoals wij. Toch hebben micro-organismen, net als planten en dieren, stikstofverbindingen nodig om te overleven. Een groot deel van hun cellen bestaan namelijk uit proteïne. Om de stikstof op te nemen die nodig is om deze proteïne te maken, scheiden micro-organismen daarom protease uit in de grond uit. Protease is een enzym dat de proteïnen waarmee het in aanraking komt als het ware in stukjes knipt. Hierdoor ontstaan peptide, ofwel kleine groepjes van aminozuren die nog aan elkaar plakken, en losse aminozuren. De kleinere peptiden en losse aminozuren kunnen wel door de micro-organismen geabsorbeerd worden, waardoor zij aan hun stikstof kunnen komen.

erwtenplant, wortels, organisch materiaal, schimmel
Een microscopische foto van een wortel van een erwtenplant die afgebroken wordt door onder andere schimmels.

Overigens worden niet alleen proteïne in peptide en losse aminozuren afgebroken tijdens de proteolyse, maar kan ook chitine, de stof die in de celwanden van schimmels, insecten en schaaldieren zit, peptidoglycaan, de stof die celwanden van bacteriën verstevigt, en nucleïnezuur, waartoe DNA en RNA behoren. Het afbraakproces van deze stoffen is vergelijkbaar met de afbraak van proteïne.

Stikstof mineralisatie: van losse aminozuren naar ammonium

Na de proteolyse blijven er meestal losse aminozuren over, die verder afgebroken kunnen worden in ammonium. Planten kunnen losse aminozuren en kleine peptide opnemen. Ondanks dat planten dit kunnen, doen de meeste dit liever niet, omdat het veel energie kost om ze te kunnen gebruiken. In plaats daarvan nemen planten liever ammonium of nitraat op uit de grond. Dit komt, omdat het voor de plant minder energie kost om ammonium of nitraat te gebruiken dan peptiden of losse aminozuren.

wortelopening, ammonium, nitraat, aminozuren
De openingen in de wortels zijn erg klein, waardoor er alleen zeer kleine stikstofrijke stoffen door kunnen, zoals losse aminozuren, ammonium en nitraat.

Gelukkig zit een gezonde bodem vol micro-organismen, meestal bacteriën, die aminozuren kunnen omzetten in ammonium. Dit proces wordt ook wel ammonificatie of stikstof mineralisatie genoemd. Tijdens de ammonificatie worden losse aminozuren eerst afgebroken in ammoniak, dat later ammonium wordt. De ammoniak die bij het afbreken van aminozuren ontstaat, is bij normale buitentemperaturen een gas. De ammoniak zit in eerste instantie dan ook in de vorm van gasbelletjes tussen de vaste deeltjes, zoals kleideeltjes en humusdeeltjes, waaruit de grond bestaat. Zodra de luchtbelletjes in aanraking komen met water, dat ook tussen de gronddeeltjes zit opgeslagen, verandert het in ammonium.

Micro-organismen gebruiken zelf een groot deel van het ammonium dat bij de afbraak van aminozuren vrij komt. Dit doen ze om de proteïne te kunnen maken die hun eigen lichaam nodig heeft. Als er meer ammonium vrijkomt door het afbreken van de aminozuren dan de micro-organismen nodig hebben, dan stijgt het ammoniumgehalte in de grond. De overtollige ammonium kan dan door de wortels van planten worden opgenomen of door micro-organismen verder worden afgebroken tot nitraat.

micro-organismen, composteren
De micro-organismen verteren het afval dat op de grond komt in verschillende stappen. Eerst eten ze het voedselrijke cytoplasma en de organellen binnenin de cellen, daarna de celwanden van het bladmoes en als laatst de houtachtige celwanden van de nerven.

Nitrificatie: van ammonium naar nitraat

Micro-organismen kunnen ammonium verder afbreken in nitraat. Dit wordt in twee stappen gedaan. Eerst zetten Nitrosomonas bacteriën ammonium in nitriet. Het nitriet dat ontstaan is wordt vervolgens door Nitrobacter bacteriën omgezet in nitraat. De twee bacteriën die nodig zijn om ammonium in nitraat om te zetten zijn chemotrofe bacteriën. Dit betekent dat ze door het afbreken van het ammonium en het nitriet energie krijgen. Ze hebben dus geen koolhydraten, zoals suiker of zetmeel, nodig om aan hun energie te komen. Om het ammonium af te breken is er wel zuurstof nodig, daarom kan nitrificatie niet plaats vinden wanneer de aarde te nat is.

organisch materiaal, micro-organismen
Een microscopische foto van een stuk organisch materiaal in water, waarbij verschillende micro-organismen zichtbaar zijn.

Nitrificatie kan alleen plaats vinden wanneer de pH waarde van de grond niet te zuur is, en de pH waarde minimaal 6,0 pH of hoger is. Wanneer Nitrosomonas en Nitrobacter bacteriën ammonium omzetten in nitraat, komen er losse protonen vrij. Deze protonen zorgen ervoor dat de pH waarde van de grond lager, ofwel zuurder, wordt. Onder natuurlijke omstandigheden wordt de nitrificatie van ammonium daardoor na een tijdje gestopt als deze protonen in de grond blijven zitten.

De hoeveelheid ammonium die organische plantenvoeding oplevert

De producten die gebruikt kunnen worden als organische plantenvoeding verschillen in hun chemische samenstelling. Stel dat je een kippenei in de grond zou stoppen, dan is het logisch dat er hierdoor veel meer proteïne, en dus stikstof, in de grond terecht komt dan wanneer er een bleekselderij stengel in de grond wordt gestopt. De chemische samenstelling van het organische materiaal dat in de grond terecht komt, bepaald daarom ook hoeveel ammonium en nitraat er uiteindelijk in de grond terecht komt.

Het lichaam van een micro-organismen bevat gemiddeld tien koolstofdeeltjes per stikstofdeeltje. Echter, ongeveer twee derde van de koolstofdeeltjes die en micro-organismen eet gaan verloren in de vorm van koolstofdioxide. Om te overleven zou het perfecte dieet van een micro-organismen daarom bestaan uit materiaal vijfentwintig koolstofdeeltjes per stikstofdeeltje bestaan. Het micro-organisme zou dan tien koolstofdeeltjes en één stikstofdeeltje gebruiken als bouwsteen en zou vijftien koolstofdeeltjes uitscheiden in de vorm van koolstofdioxide. Een micro-organisme komt dan niets te kort, maar krijgt ook niets te veel.

Wanneer er organisch materiaal aan de grond toegevoegd wordt met meer dan vijfentwintig koolstofdeeltjes per stikstofdeeltje bevat, dan moet de micro-organismen op zoek naar stikstof in de grond om aan voldoende stikstof te komen. Ze absorberen dan het ammonium op uit de grond dat in het verleden al was vrij gekomen was door het afbreken van organisch materiaal. Stel dat het organische materiaal vijftig koolstofdeeltjes per stikstofdeeltje bevat, dan moeten ze dus één stikstofdeeltje uit een ammonium molecuul uit de grond halen. Hierdoor neemt de hoeveelheid ammonium die in de grond zit dus af. Wanneer er veel organisch materiaal in de bodem terecht komt met een koolstof:stikstof ratio van meer dan vijfentwintig deeltjes per stikstofdeeltje, dan kunnen planten in ieder geval op de korte termijn een tekort aan stikstof ervaren.

Wanneer er organisch materiaal in de bodem terecht komt dat minder dan vijfentwintig koolstofdeeltjes per stikstofdeeltjes, dan is er voor de micro-organismen zelf niets aan de hand. Het teveel aan stikstof wordt namelijk uitgescheiden in de vorm van ammonium. Stel dat er organisch materiaal met vijf koolstofdeeltjes per stikstofdeeltje in de bodem komt, dan zullen er vier ammonium moleculen in de grond terecht komen voor elke vijfentwintig koolstofdeeltjes die het micro-organismen absorbeert. Hierdoor kunnen de planten die in de bodem groeien dus meer stikstof op nemen dan voordat het organische materiaal in de bodem terecht kwam.

Om planten van stikstof te voorzien door organische plantenvoeding te gebruiken, is het dus nodig om producten te kiezen die minder dan vijfentwintig koolstofdeeltjes per stikstof deeltje bevatten. Gelukkig is de koolstof:stikstof ratio van veel soorten organisch materiaal bekend, waardoor het eenvoudig is om te bepalen of een bepaald product geschikt is om het stikstofgehalte van de bodem te verhogen. Mocht er van een bepaalde soort organische plantenvoeding of organisch materiaal niet bekend zijn wat de koolstof:stikstof ratio is, dan kun je er in ieder geval vanuit gaan dat producten met minder dan 1,5% stikstof de hoeveelheid ammonium niet zal verhogen. Bij producten zonder bekende koolstof:stikstof ratio, maar met een totaal stikstof percentage hoger dan 1,5% is de kans groter dat het er ammonium in de grond terecht komt door het product, maar het blijft dan wel belangrijk om de planten goed te monitoren op de symptomen van een stikstof tekort.

De snelheid waarmee ammonium vrijkomt uit organische plantenvoeding

In de meeste gevallen wordt ongeveer de helft van de totale hoeveelheid stikstof die in een organische plantenvoeding of in organisch materiaal zit binnen drie tot zes maanden omgezet in ammonium. Over het algemeen wordt er maar weinig stikstof in ammonium omgezet wanneer de temperatuur laag is, onder de 15 graden Celsius, en wanneer de grond te droog of te nat is. In de herfst, winter en het begin van de lente is de snelheid van de ammonificatie daarom laag, terwijl het in de zomer juist heel hoog is, mits de grond vochtig wordt gehouden. De andere helft van de stikstof wordt opgeslagen in de vorm van humus, de stof die de aarde zwart maakt. De stikstof die in de humus zit wordt door klei en andere stoffen beschermd tegen de afbraak door micro-organismen. Hierdoor kan het jaren duren voordat deze stikstof vrij komt in de vorm van ammonium.

Het verlies van stikstof uit de grond

Helaas zijn er niet alleen processen waardoor er stikstof verbindingen in de grond komen die planten kunnen opnemen, maar zijn er ook processen die ervoor zorgen dat er stikstof uit de grond verdwijnt. Deze processen zijn vaak niet goed voor het milieu, omdat het stikstof dat verdwijnt op andere plekken terecht komt waar het niet gewenst is. Ondanks dat het voor de meeste hobby kwekers onzinnig lijkt om het verlies van stikstof uit de aarde van de tuin te verminderen, kunnen heel veel hobby kwekers bij elkaar in ieder geval lokaal een verschil maken in de hoeveelheid stikstof die bijvoorbeeld in lokale natuurgebieden en sloten terecht komt.

Denitrificatie

Nitriet en nitraat moleculen bevatten niet alleen stikstof, maar ook zuurstof. Wanneer het zuurstofgehalte in de bodem te laag wordt, omdat de grond te nat is, dan kunnen micro-organismen nitriet en nitraat afbreken om aan zuurstof te komen. De stikstofdeeltjes uit het nitriet en nitraat komen dan in de lucht terecht in de vorm van onschuldig stikstofgas (N₂) of het broeikasgas distikstofmonoxide (N₂O). Dit proces wordt ook wel denitrificatie genoemd.

Zolang de grond niet verzadigd met water kan nitrificatie niet plaats vinden. Om stikstofverlies door nitrificatie te voorkomen is het dus vooral belangrijk om ervoor te zorgen dat er geen water in de grond blijft staan. Dit is überhaupt een goed idee, want wanneer er te veel water in de grond staat, dan kunnen de micro-organismen die organisch materiaal afbreken niet goed hun werk doen, kunnen de wortels van planten stikken door een tekort aan zuurstof, en kunnen schadelijke, ziekmakende micro-organismen de wortels van planten makkelijker infecteren. Zorg er daarom voor dat de structuur van de grond optimaal is, en kijk naar manieren om de afvoer van overtollig te verbeteren, bijvoorbeeld door het kweekbed te verhogen of plantenbakken te gebruiken die zeer veel drainage gaten hebben.

Wegstromend nitraat

Zoals eerder gezegd kan het ammonium dat in de grond zit door bacteriën eerst omgezet worden in nitraat. Dit is fijn, want veel planten nemen nitraat eenvoudiger op dan ammonium. Toch wordt de nitrificatie van ammonium in de grond over het algemeen niet als positief gezien. Ammonium is een negatief geladen ion, terwijl de klei en humusdeeltjes in de grond positief geladen zijn. Hierdoor kleeft het ammonium aan de klei en humusdeeltjes in de bodem, als een magneet. Nitraat daarentegen is negatief geladen. In de aarde zijn er geen grote, vaste deeltjes die positief geladen zijn waar de negatief geladen nitraat ionen aan kunnen blijven plakken. Het gevolg hiervan is dat zodra de aarde nat wordt, door regen of irrigatie, het nitraat met het overtollige water wegspoelt. Hierdoor zitten er in het deel van de bodem waarin de wortels van planten groeien minder opneembare stikstofverbindingen.

Door het wegstromen van nitraat, moet er dus meer stikstof in de bodem gestopt worden om te voorkomen dat planten een stikstof tekort krijgen. Daarnaast komt het nitraat dat via het water is weggestroomd vaak op plekken terecht waar het niet gewenst is, zoals in sloten waar het voor een extreme algen groei kan zorgen. Waar mogelijk, willen we de hoeveelheid ammonium die in nitraat wordt omgezet dus zo veel mogelijk beperken. De beste manier om dit te doen, is om de hoeveelheid overtollig ammonium in de bodem te beperken. Dit betekent dat er door de stikstof mineralisatie niet meer ammonium vrij komt dan de planten die in de bodem groeien. Om dit voor elkaar te krijgen, is er kennis nodig van de stikstof behoefte van de planten die in de bodem groeien en van de hoeveelheid stikstof die de meststoffen die aan de bodem worden toegevoegd bevatten. Door de vraag naar stikstof van planten en het aanbod van stikstof uit plantenvoeding in balans te houden, zit er weinig overtollig ammonium in de bodem dat door micro-organismen omgezet kan worden in nitraat.

Vervluchtiging van ammoniak

Zoals eerder gezegd zetten de micro-organismen in de grond aminozuren eerst om in ammoniak gas. Pas wanneer de ammoniak in aanraking komt met water dat in de grond zit verandert het in ammonium. Wanneer er in een korte tijd veel ammoniak vrijkomt, dan gaat er vaak een deel van de ammoniak verloren, omdat het vervluchtigt in de lucht. De vervluchtiging van ammoniak uit de grond is verre van ideaal om twee redenen. Ten eerste is stikstof bemesting kostbaar. Hoe meer stikstof er verloren gaat door vervluchtiging, hoe meer stikstof er door de bodem gemengd moet worden om planten hun benodigde stikstof te kunnen laten opnemen. Ten tweede komt de vervluchtigde ammoniak in wolken terecht, waar het weer in ammonium veranderd, doordat de ammoniak in contact komt met het water in de wolken. Wanneer het gaat regenen komt het ammonium met de regendruppels mee en valt het op de grond. Vaak leggen wolken een behoorlijke afstand af, waardoor het ammonium op plaatsen terecht kan komen waar de extra stikstof niet gewenst is.

Er zijn gelukkig verschillende manieren om het vervluchtigen van ammonium te beperken. In vergelijking met stikstofrijke kunstmest, en dan vooral ureum, gaat er bij het gebruik van stikstofrijke organische plantenvoeding weinig stikstof in de vorm van ammoniak verloren. Toch zijn er een aantal eenvoudige trucjes, die de vervluchtiging van ammoniak nog verder kunnen verlagen. Vooral wanneer het warm is en de grond regelmatig vochtig is, kunnen deze tips een groot verschil maken. In een warme, vochtige bodem worden er meer aminozuren omgezet in ammoniak, waardoor de kans groter is dat een deel hiervan vervluchtigd. Dit zou zonde zijn, omdat planten in een warme, vochtige grond vaak snel groeien, waar veel stikstof voor nodig is.

Een makkelijke manier om vervluchtiging tegen te gaan, is door de plantenvoeding door de bovenste vijf tot tien centimeter van de aarde te mengen. Hierdoor vervluchtigt er tussen de 60 tot 80% minder ammoniak dan wanneer de plantenvoeding bovenop de aarde wordt aangebracht. Verder kan het helpen om in de twee tot vier weken na het aanbrengen van de stikstofrijke organische plantenvoeding de bodem vochtig te houden. Wanneer de bodem vochtig is, dan is de kans groter dat de vrijgekomen ammoniak reageert met water tot ammonium. Hierdoor vervluchtigt er dus minder ammoniak in de lucht. Samen zorgen het mengen van de plantenvoeding door de bovenste grondlaag en het vochtig houden van de bodem ervoor dat de vervluchtiging van de ammoniak tot een minimum wordt beperkt.

Helaas is het moeilijk om de hoeveelheid ammoniak gas in de bodem te testen. Er bestaan gasmeters die ammoniak gas kunnen meten, maar deze zijn vaak niet geschikt voor het meten van gas in de grond, en ook nog eens behoorlijk prijzig. De enige test die iets van informatie kan verschaffen over de kans dat er te veel ammoniak gas uit de bodem verdwijnt, is een pH test. Het is bekend dat er vooral veel ammoniak gas vervluchtigd wanneer de pH waarde van de bodem boven de 8.0 pH is.

Advies nodig?

Één van de dingen die deze website zo leuk maakt, is het beantwoorden van vragen van lezers. Doordat het bezoekersaantal in de afgelopen jaren erg is gestegen, is het aantal vragen over planten dat binnenkomt ook erg gestegen. Aangezien we vaak dezelfde vragen krijgen, hebben we besloten om alleen nog maar vragen via de Disqus te beantwoorden. Helemaal onderaan de pagina, onder de lijst met bronnen en de advertenties, vindt je een Disqus formulier waarin je een vraag kunt stellen. We zullen je vraag dan zo snel mogelijk beantwoorden.

Bronnen en verder lezen