Atmospheric Physics and Chemistry Group

12 Jan, 2006

De vergeten methaanbron

De onderzoeksgroep van de afgelopen jaar bij de beta-wetenschappen (natuur- en sterrenkunde) benoemde hoogleraar Thomas Röckmann (daarvoor aan het Max-Planckinstituut voor Kernfysica in Heidelberg) heeft een tot nu toe onbekende bron van methaan in de atmosfeer ontdekt: planten produceren het broeikasgas methaan en emitteren het direkt in de atmosfeer.

In de afgelopen jaren is de biosfeer steeds meer in het blikveld van de wetenschappelijke belangstelling geraakt, vooral wanneer het om vragen over de uitwisseling van klimaatrelevante gassen tussen biosfeer en atmosfeer gaat. De groep van Thomas Röckmann onderzocht het ontstaan van verschillende organische gassen uit planten. Hierbij deden zij de verrassende ontdekking dat ook het broeikasgas methaan vrijkwam. Net zo verrassend was dat de aanwezigheid van de zuurstof in de lucht de formatie van methaan niet hinderde. Deze ontdekking is niet alleen belangrijk voor plantenonderzoekers, maar ook voor het begrijpen van de wisselwerking tussen de mondiale opwarming en de verhoogde productie van broeikasgassen. (Nature, 12 januari 2006)

Methaan is na kooldioxide het belangrijkste broeikasgas dat bijdraagt aan klimaatverandering. De concentratie van methaan in de atmosfeer is in de afgelopen 150 jaar bijna verdrievoudigd. De bekendste vorm van methaan is aardgas, dat tegenwoordig een belangrijke rol speelt in de energieverzorging. Toch is slechts een deel van de toename in de atmosfeer het gevolg van industriële activiteiten die direct met energieopwekking en -verbranding verband hebben. De groeiende wereldbevolking heeft de methaanconcentratie veel sterker beïnvloed door emissies uit zogenaamde "biogene" bronnen. Dat zijn bronnen die op biologische processen gebaseerd zijn, zoals rijstbouw, veeteelt en afbraakprocessen in vuilnisdepots. De bronnen van atmosferisch methaan zijn inderdaad overwegend van biogene oorsprong.

Tot dusver werd aangenomen dat biogeen methaan hoofdzakelijk gevormd werd door micro-organismen in afwezigheid van zuurstof (anaeroob). Daarbij wordt acetaat of waterstof en kooldioxide, die ontstaan bij de anaerobe afbraak van organisch materiaal, in methaan omgezet. De kwantitatief belangrijkste zuurstofloze bronnen zijn natuurlijke moerasgebieden en rijstvelden, maar ook het darmkanaal van herkauwers, termieten, vuilstortplaatsen en biogas uit waterzuiveringsinstallaties. Volgens de tot nu toe gemaakte schattingen maken deze bronnen bijna tweederde van de totale methaanhuishouding van ongeveer 600 miljoen ton per jaar uit.

De wetenschappers in de groep van Thomas Röckmann hebben nu ontdekt dat planten zelf methaan in aanzienlijke hoeveelheden produceren en aan de atmosfeer afstaan, en dit onder normale zuurstofrijke omstandigheden. Zij onderzochten het ontstaan van verschillende organische gassen in verse en afgestorven bladeren van loofbomen. De volgende stap was het onderzoek aan levende planten in het laboratorium en in het veld, bijvoorbeeld aan maïs en raaigras (zie afbeelding 1). De levende planten vertoonden een 10- tot 100-maal grotere methaanuitstoot dan het afgestorven plantenmateriaal. Verder werd vastgesteld dat de methaanuitstoot drastisch toeneemt wanneer de planten in de zon werden geplaatst.

Afbeelding 1: Plantencel voor het onderzoek van methaanuitstoot door planten in het laboratorium, hier bijvoorbeeld raaigras (Lolium perenne).

Hoewel er al enige aanwijzingen zijn, is het mechanisme voor de vorming van methaan in planten nog onopgehelderd. De wetenschappers nemen echter aan dat het hier om een nieuw reaktiemechanisme gaat, dat zich met de huidige kennis niet laat verklaren; een nieuw onderzoeksgebied voor biochemici en plantenfysiologen.

Op grond van de eerste schattingen produceren de planten op het aardoppervlak tussen 60 en 240 miljoen ton methaan per jaar. Dit betekent dat tegenwoordig circa 10 tot 30% van het totale methaanbudget door planten uitgestoten wordt. Het leeuwedeel (ca. tweederde) komt uit de tropen (afbeelding 2), omdat daar de meeste biomassa groeit. De directe plantenemissies leveren ook een goede verklaring voor de onverwacht hoge methaanconcentraties boven tropische regenwouden, die onlangs door een groep onderzoekers van onder andere het KNMI met satellietwaarnemingen gemeten zijn.

Afbeelding 2: Tropisch regenwoud in Suriname; volgens de nieuwe onderzoeksresultaten van de groep van Prof. Röckmann dragen tropische gebieden bijzonder sterk bij aan het methaanbudget in de atmosfeer. Foto: Bert Scheeren, Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz

Maar waarom komt een schijnbaar zo triviale ontdekking pas nu, 20 jaar nadat honderden wetenschappers wereldwijd de mondiale kringloop van methaan onderzocht hebben? "Methaan mag eigenlijk niet op deze manier ontstaan" zegt Thomas Röckmann. "Het is een (tot nu toe) erkende leerboekenwijsheid dat biogeen methaan alleen onder uitsluiting van zuurstof gevormd kan worden. Daarom heeft tot nog toe gewoon niemand er goed naar gekeken."

Er moet inderdaad heel nauwkeurig worden gemeten om de emissies waar te nemen. De onderzoekers hebben de meeste van hun experimenten in methaanvrije lucht uitgevoerd, om de hoge natuurlijke achtergrond uit te schakelen. Bovendien gebruikten zij isotopenanalyses om eenduidig aan te tonen dat het hierbij om een nieuw productieproces gaat. Door dit "juiste kijken", ook tegen de traditionele ideeën in, deden zij hun ontdekking, die er toe zal leiden dat de hoofdstukken over methaanvorming in de desbetreffende leerboeken opnieuw geschreven moeten worden.

Volgend op deze ontdekkingen willen de wetenschappers nu naast laboratorium- proeven ook omvangrijke veldstudies en satellietwaarnemingen inzetten om een betere afschatting van de grootte van de bronnen te krijgen. Bovendien wordt de intrigerende vraag gesteld, welke rol de biosfeer bij de methaanvorming in de ontstaansgeschiedenis van de aarde heeft gespeeld, en wat de invloed is van stijgende mondiale temperaturen en stijgende kooldioxideconcentraties in de atmosfeer op de uitstoot van methaan uit planten in de toekomst; een belangrijke stap om toekomstige klimaatterugkoppelingsprocessen in te schatten.

Publicatie:

Frank Keppler, John T. G. Hamilton, Marc Braß en Thomas Röckmann: Methane emissions from terrestrial plants under aerobic conditions Nature, 12 January 2006

Voor meer informatie:

Prof. Thomas Röckmann
Institute for Marine and Atmospheric Research Utrecht, The Netherlands
Tel.: +31 (0)30 253 3858
Fax: +31 (0)30 254 3163
E-mail: t.roeckmann@phys.uu.nl

Dr. Frank Keppler
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Tel.: +49 (0)6221 516 575
Fax: +49 (0)6221 516 324
E-mail: frank.keppler@mpi-hd.mpg.de

Links: