DIE WÊRELD VAN DIE KLEINSTES  (10)

SKOOLPROJEK

Lees reeks by Mikrobes - Wêreld van die kleinstes

Jac Schoonens

Die lug wat ons inasem bestaan grotendeels uit stikstof, en vir 'n kleiner deel uit suurstof. Daar is ook nog koolsuurgas aanwesig maar nie meer as slegs 0.03% nie.

Vir die plantegroei is koolsuur hoogs belangrik want deur die medewerking van sonlig en van die bladgroen (chlorofil) in die plant word die koolsuur saam met water gebruik om plantestowwe op te bou. So 'n klein koolsuurdeeltjie is maar baie nietig. Selfs met 'n mikroskoop sal dit nie te sien wees nie want dit is nog 'n paar duisend keer kleiner as die kleinste mikrobe. Maar ook sonder mikroskoop is dit bevind dat die kleinste koolsuurdeeltjies (molekuul) uit twee andere stowwe (elemente) bestaan, naamlik een deeltjie (atoom) koolstof en twee deeltjies suurstof.

Die koolstof is van groot betekenis in die natuur want die meeste stowwe waaruit mense, diere en plante opgebou is het koolstof as 'n bestanddeel. Laat ons dus 'n koolstof-atoom op sy pad deur die natuur volg:

Kringloop van die koolstof

Êrens in die blou lug sweef 'n deeltjie koolstof, saam verbind met twee deeltjies suurstof. Hulle vorm saam die koolsuurmolekuul.  Dit spring vrolik tussen ander koolsuurdeeltjies en deeltjies stikstof en suurstof rond. Myle ver dryf dit oor die landskap totdat dit bokant 'n lupieneland kom. Nou spring die koolsuurmolekuul tussen die blare van die lupieneplante in, en skielik gewaar dit dat dit nie meer in die vrye lug swewe nie maar gevang is binne 'n ruimte wat deur groen planteselletjies omgewe is.

Wat het gebeur? In die huid van die blaartjie van die lupieneplant is tallose huidmondjies waardeur die plant asemhaal. So het die lupieneplantjie ook ons koolsuurdeeltjie met die lug ingeasem. In die groen-skemerige lugruimte agter die huidmondjie word die koolsuur in die volgtige wandjies van die planteselletjies opgelos en ontbind, en na hy sekere prosesse deurgegaan het bevind die koolstofdeeltjie hom, verbind met water, in 'n stof waaruit die selwandjies opgebou is, die sellulose. Nou het die koolstofdeeltjie een van die miljoene bousteentjies van die plant geword.

Daar kom 'n tyd dat die boer dit nodig ag om die lupiene in te ploeg, en met die plant verdwyn ook die koolstofdeeltjie onder die grond. Maar nie  vir altyd nie!

Die grondmikrobes tree in werking. Eers 'n honderd, 'n duidend, maar gou is dit honderdduisende en miljoene bakterieë, swamme en straalswamme wat in die ingeploegde plant 'n tuiste vind. Hulle soek hul kos in die planteselletjies en verteer hulle. Daarby word ook die selluloses aangetas en in kleiner deeltjies opgesplits, o.a. in koolsuurgas wat die lug ingaan. Ook ons koolstofdeeltjie is so gelukkig om homself met twee suurstofdeeltjies te kan verbind en so 'n koolsuurmolekuul te kan vorm. Daarmee is die kringloop van die koolstofdeeltjie voltooi.

Hy het dus'n reis gemaak van (1) uit die lug (koolsuur), (2) ingeasem deur 'n plant, (3) opgebou tot sellulose, (4) by die verrotting van die ingeploegde plant weer opgesplits, en (5) as koolsuurgas weer terug in die lug.

Natuurlik is dit moontlik dat die koolstofdeeltjie die volgende keer 'n ander reis maak. Dit kan as koolsuurgas deur 'n plant ingeasem word, die plant kan deur 'n dier as voedsel gebruik word; dan is daar drie moontlikhede vir die koolstofdeeltjie om die diereliggaam weer te verlaat: (1) in die vorm van koolsuurgas wat die dier uitasem, (2) in die vorm van mis van die dier, (3) en in die vorm van koolsuurgas as die dier vrek en in die grond verrot.

Nog 'n ander moontlikheid is die gisting van plante- (vrugte) sap waarby die mikrobes die suiker in die sap laat gis, en alkohol en koolsuurgas ontstaan.

Daar is groot verskeidenheid van koolstofverbindings in die grond. Hulle het daarin gekom as reste van plante of in die vorm van mis of oorblyfsels van 'n dier. Hierdie koolstofverbindings word in die grond 'verteer'. Van die belangrikste is die sellulose, die lignien (houtstof) en die pektien (die stof wat die sellulose in die plant laat saamkleef.)

Omdat daar jaarliks so 'n groot hoeveelheid sellulose in die grond kom wat verteer moet word, het die natuur talryke soorte mikrobes wat vir hierdie vertering sorg tot haar beskikking. Gewoonlik is dit soorte wat suurstof vir hul lewe nodig het (aërobe mikrobes). Die grond moet dus lug bevat. In moerasse, modderslote, versuipte land, ens is die lug- (suurstof) gehalte egter so gering dat slegs mikrobes wat sonder suurstof lewe daarin hul verteringswerk kan doen. Die verteringsproses in sulke grond is derhalwe ook anders. Gewoonlik word in die loop daarvan sure en ook gasse gevorm. Onder daardie gasse is daar ook wat brandbaar is. In Holland is daar boere wat hierdie gasse opvang en as lig- en verwarmingsgas gebruik.

Stikstof
Behalwe die kingloop van koolstof is daar die kringloop van stikstof. Stikstof is vir die plantegroei noodsaaklik want dit is 'n hoofbestanddeel van die plant-protoplasma. Die woord 'protoplasma' kom uit die Grieks 'proton': die 'eerste', en 'plasma: 'die gevormde beeld'. Die protoplasma is die 'lewende' stof van die plant of – soos dit ook wel gesê word – die draer van die lewe. Onder die mikroskoop kan 'n mens die protoplasma sien lê as 'n slymagtige lagie teen die selwand, soms ook as draadjies dwarsdeur die selletjie.

Hierdie protoplasma is uit eiwitstowwe opgebou. Dog nie alleen die lewende protoplasma nie maar ook die dooie selvog wat die ruimtes tussen die protoplasma inneem, bestaan veral uit eiwitte.

Eiwitte is baie ingewikkelde stowwe. Die kleinste eiwitdeeltjie (molekuul) uit koring byvoorbeeld, bevat 736 deeltjies (atome) koolstof, 1 161 deeltjies waterstof, 184 deeltjies stikstof, 208 deeltjies suurstof en 3 deeltjies swawel, of, soos die skeikundiges skryf: C₇₃₆H₁₁₆₁N₁₈₄O₂ₒ₈S₃

Vyftien tot negentien persent van die eiwit is stikstof. Om die plant dus 'n kans te gee om eiwit en daarmee protoplasma op te bou moet dit op een of ander manier stikstof tot sy beskikking kry. Daartoe dien in die eerste plek die eiwitte uit plantereste in die grond. Dan kan daar verder reste van dierlike eiwitte wees naamlik dié wat ontstaan deur ontbinding van gevrekte diere. Nog 'n ander stikstofbron is die diere se mis.

Ongelukkig kan die plant hierdie eiwitte nie regstreeks gebruik nie. Dis om twee redes begryplik. Die plant staan vas in die grond. Die wortels waardeur die voedingstowwe opgeneem moet word beweeg nie van hul plek nie. Gevolglik moet die voedingstowwe op een of ander manier tot vlak by die wortels kom en deur hulle 'ingesuig' word. Dit is alleen moontlik as die plantevoedsel vloeibaar, dus in 'n oplossing is. Verskeie soute, soos sulfate, nitrate, chloriede, ens. los maklik in die grondvog op. Die eiwitstowwe uit die plantereste is nie in water oplosbaar nie. Daarom moet hulle eers afgebreek word en verander in:  (1) 'n water-oplosbare stof, en (2) hierdie stof moet van so 'n aard wees dat die plant weer eiwitstowwe daaruit kan opbou.

Uiteindelik ontstaan dan die nitrate, wat die meeste plante as stikstofbron gebruik en waaruit hulle opnuut eiwitstowwe opbou. (In die woord 'nitraat' lê die woord 'nitrogenium-stikstof).

Ook hierdie keer is dit die mikrobes in die grond wat help om die hoër eiwitte van die afgestorwe plantdele en ook dié wat in mis aanwesig is, af te breek.

Eiwit-afbraak
So heel eenvoudig verloop die eiwit-afbraak egter nie want dit geskied trapsgewys. In samewerking met mikrobes wat die koolstofverbindings (sellulose) afbreek, vind ons ander wat dit hul werk maak om die eiwitstowwe te splits. Hierdie mikrobes noem ons die eiwitsplitsers.

Soos ons hierbo in die voorbeeld van die ingeploegde lupiene gesien het, tree die grondmikrobes in werking om die plant te verteer. Behalwe die koolstofverbindings, soos sellulose, pektien en lignien, waaruit die selwandjies en vesels van die plant opgebou is, word ook die sel-inhoud, wat veral uit eiwitstowwe bestaan, gesplits.

Eiwitstowwe is opgebou uit ander stowwe, die sogenaamde aminosure, wat die bousteentjies van die eiwit genoem kan word. Die eiwitsplitsers se taak is om die eiwitgebou uitmekaar te breek. Intussen wag 'n tweede mikrobe-leër om met die splits van die bousteentjies (die aminosure) te begin. Hierdie proses noem ons ammonifikasie omdat by die splitsing ook ammoniak ontstaan. Daar is verskeie mikrobesoorte wat aan die ammonifikasie kan deelneem. Daar is die bakterieë wat sonder suurstof lewe (soos die anaërobe Bact.putrificans) en daar is ook aërobe waaronder die bekende hooibasillus B.proteus.Verder is daar swamme en straalswamme, wat in alle grond voorkom. Dit is begryplik dat dit nie alleen die aanwesige mikrobesoorte is wat die eiwit-afbraak beïnvloed nie, maar ook bepaalde eienskappe van die bodem, en dat die een soort stikstofbemesting beter vir 'n bepaalde grond as 'n ander is. Om hierin 'n insig te kry, het die ondersoeker Rémy 'n toets bedink om die verrottingskrag van die grond vas te stel. Hiervoor word 'n bepaalde hoeveelheid grond met 'n hoeveelheid peptoon ('n eiwitstof) gemeng. Na 'n rukkie word die hoeveelheid ammoniak wat deur die mikrobes uit die peptoon gevorm is, gemeet. Hoe groter die hoeveelheid ammoniak, hoe groter die verrottingskrag van die grond.

Wat gebeur nou met hierdie ammoniak?  Daar is enkele plante wat stikstof in die vorm van ammoniak as voedingstof kan gebruik maar die meeste verkies 'n nitraat. Dus moet die ammoniak eers nog 'n verwerking ondergaan.

Soos ons weet is ammoniak 'n gas. Dit beteken dat die ammoniak wat in die grond gevorm is maklik tussen die sandkorreltjies deur sou kon vlieg as dit nie vasgehou word nie. Ook hiervoor is voorsiening gemaak. Soos ons gesien het onstaan nog 'n ander gas in die grond, naamlik koolsuur. Die twee gasse is baie lief vir mekaar, en verbind hulself in aanwesigheid van water (wat natuurlik ook in die grond aanwesig is) maklik tot die sout ammoniumkarbonaat. Nou is die ammoniak aan die koolsuur gekoppel en geen van beide gasse kan uit die grond ontwyk nie. Behalwe koolsuur is daar ook nog ander stowwe in die grond waarop die ammoniak kan reageer en ammoniumsoute kan vorm, (bv ammoniumsulfaat).

Maar hoe nou van ammoniak na nitraat? In die jaar 1877 was die ondersoekers Schloessing en Muntz besig om die skeikundige reaksies in die grond te bestudeer. Hulle het gemerk dat as 'n mens ammoniumsoute met gesonde grond meng, hierdie soute na 'n rukkie in nitrate verander. Destyds het die ondersoekers nog maar min van die mikroblewe in die grond geweet, maar tog het hulle bewys dat hierdie omsettings op 'n lewende, dus 'n biologiese manier moet plaasvind.

Die ondersoekers het 'n lang pyp met sand en kalk gevul en 'n klomp rioolslyk daardeur laat loop. Toe die pypinhoud na 'n tydjie met die slyk versadig is, het hulle aan die bokant ammoniak laat inloop, en vasgestel dat die vloeistof wat onder by die pyp uitdrup, nie meer ammoniak bevat nie, maar wel nitrate. Toe het hulle die pyp verhit, dit afgekoel en weer ammoniak laat deurloop. Maar dié keer is die ammoniak nie omgesit nie en het onveranderd deurgeloop.

Daarmee het Schloessing en Muntz bewys dat verhitting die proses verhinder, en dit dus waarskynlik 'n regte biologiese proses moet wees.

Ongelukkig het hulle nog nie agter al die geheime van die proses kon kom nie: daardie geheime is eers in 1899 deur die pragtige ondersoeke van Winogradsky opgehelder. Hierdie ondersoeker was die eerste wat die nitrietbakterieë geïsoleer het. Die nitrietbakterieë – wat die wetenskaplike naam van Nitrosomonas dra – oksideer die ammoniak tot sogenaamde nitriete. Dit is soute wat bestaan uit een stikstof- en twee suurstofdeeltjies, verbind met natrium, kalium of 'n ander stof. Om ammoniak tot nitriete te oksideer, is suurstof nodig. Hierdie suurstof moet uit die lug verkry word.

Dis derhalwe duidelik dat die nitrietbaterieë in swak deurlugte grond nouliks kan ontwikkel, en dat die vorming van nitriete daar baie onvolkome sal wees.

Hierdie nitrietbakterieë is veral in bewerkte bogrond te vind, en minder in die vaste ondergrond. Deurlugting van die grond is dus baie belangrik.

Dit is ook baie belangrik vir die laaste fase van die proses, nl die nitraatvorming deur die nitraatbakterieë. Ook hierdie bakterieë gebruik baie suurstof om die nitriet tot nitraat te oksideer. Die nitraatbakterieë kan net een voedselsoort gebruik en dit is nitriet. Van hierdie nitriet maak hulle dan die nitraat. Dis interessant om te weet dat die nitraatbakterieë baie gevoelig is vir ammoniak. Daarom kan hulle eers aan die gang kom as alle ammoniak in nitriet omgesit is.

Nòg die nitriet- nòg die nitraatbakterieë vorm spore, en albei kan dus deur stoom of ontsmettingsmiddels vernietig word. Daarmee kan die nitrifikasieproses beëindig word.

Hoe belangrik goeie deurlugting van die grond is, blyk verder uit die volgende: Daar kom ook in die grond baie bakterieë voor wat die nitrate weer tot stikstof kan verander, sodat die stikstof (wat 'n gas is) uit die grond kan ontwyk en vir die plant verlore gaan. Hierdie de-nitrifikasie-bakterieë is anaërobe, dws, hulle kan hul skadelike werk slegs verrig as daar nie voldoende suurstof in die grond is nie. Ook is dit moontlik dat in anaërobiese omstandighede die nitraat deur bepaalde bakterieë ( o.a. Esch. coli) weer terugverander (gereduseer) word tot ammoniak.

Sorg die boer dus vir goeie deurluging van sy grond, dan is daar nie gevaar dat waardevolle plantvoeding deur hierdie de-nitrifikasieproses aan sy grond onttrek word nie.

Volgende keer leer ons hoe belangrik die lug as stikstofbron is.