Methan-Quelle im rechten Licht betrachtet

Pflanzen speichern ein Treibhausgas, geben aber ein anderes ab: Während sie Kohlendioxid binden, setzen sie Methan frei – wenn auch nur in geringen Mengen. Das haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemie, der Universität Utrecht und des Agri-Food and Biosciences Institute in Belfast nun bestätigt. In zwei aktuellen Arbeiten haben sie ferner festgestellt, dass ein Teil des Treibhausgases aus Pektin, womit viele Pflanzen ihr Stützgerüst aufbauen, stammt. Da den Untersuchungen zufolge UV-Licht die Methan-Produktion der Pflanzen ankurbelt, erklärt sich auch, warum manche Forscher kein Methan aus Pflanzen nachweisen konnten: Sie zogen Gewächse unter Lichtquellen heran, die kein UV-Licht abstrahlten. (New Phytologist, 9. Mai 2008 Biogeosciences in press)

Die Meldung sorgte vor zwei Jahren für einige Aufregung: Frank Keppler und seine Kollegen hatten damals am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg zum ersten Mal beobachtet, dass Pflanzen Methan freisetzen. Und zwar an der Luft. Unter aeroben Bedingungen also, unter denen Bakterien kein Methan produzieren, wie sie es etwa aus Mooren blubbern lassen. Pflanzen sollten dieser Untersuchung zufolge einen wesentlichen Teil zum gesamten Methan in der Atmosphäre beitragen.

Nicht nur über die globale Bedeutung dieser pflanzlichen Methan-Emissionen entbrannte anschließend eine heftige Kontroverse. Manche Forscher zweifelten sogar, ob Pflanzen überhaupt das Treibhausgas freisetzen, das 25 Mal klimaschädlicher ist als Kohlendioxid. Nun haben Frank Keppler, der inzwischen am Max-Planck-Institut für Chemie forscht, und seine Kollegen jedoch mit detaillierten Versuchen nachgelegt. Demnach produzieren Pflanzen tatsächlich Methan, und zwar besonders viel, wenn sie mit UV-Licht bestrahlt werden.

Anerkennung von Kritikern

Die neuen Ergebnisse Kepplers erkennt auch Tom Dueck, Wissenschaftler der Universität im niederländischen Wageningen, in einem Kommentar an. Das freut Frank Keppler besonders. Dueck hatte Kepplers Ergebnisse nämlich stark angezweifelt, nicht zuletzt weil er und seine Mitarbeiter sie nicht reproduzieren konnten. Sie zogen Pflanzen jedoch in Gewächshäusern unter künstlichen Lichtquellen heran, die keine UV-Strahlung abgaben.

Frank Keppler und seine Kollegen, von denen einige inzwischen an der Universität Utrecht arbeiten, haben jetzt teils trockenes, teils frisches Material von mehr als 20 unterschiedlichen Pflanzen untersucht. „Wir haben diesmal bewusst nur Teile von Pflanzen wie Blätter verwendet, weil in lebenden Pflanzen möglicherweise Prozesse ablaufen, die das Ergebnis verzerren“, sagt Keppler. Die Pflanzenteile haben die Forscher in einer Versuchsreihe mit UV-Licht bestrahlt, in einer anderen gleichzeitig bis zu 100 Grad Celsius erwärmt und in einer weiteren bei Temperaturen von 20 bis 100 Grad Celsius untersucht.

Dabei stellten sie fest, dass nicht alle Pflanzen gleich viel Methan emittieren. Je energiereicher jedoch das Licht ist, mit dem die Proben bestrahlt werden, desto mehr Treibhausgas geben sie ab. Noch höhere Raten erreicht die Produktion, wenn die Temperatur gleichzeitig erhöht wird. Ohne UV-Bestrahlung und bei einer Umgebungstemperatur von 22 Grad Celsius setzen die Pflanzen 100 bis 1000 Mal weniger Methan frei. Erst ab rund 80 Grad steigen die Emissionsraten auf Werte, die mit denen unter UV-Licht vergleichbar sind. Zudem setzt Hitze zunehmend weniger Methan frei, wenn die Forscher eine Probe mehrmals hintereinander aufheizen und abkühlen. Wenn die Wissenschaftler über einer Probe mehrmals eine UV-Lampe anschalten, geben sie dagegen immer gleich viel Methan ab. „UV-Licht setzt das Gas also offenbar nach einem anderen Reaktionsmechanismus frei als Hitze“, so Keppler.

Ursprung des Methans identifiziert

Ein Bestandteil, aus dem UV-Licht das Treibhausgas in einem photochemischen Prozess erzeugt, ist Pektin – ein Polysaccharid, das viele Pflanzen als Gerüstmaterial einsetzen. Pektin enthält Methoxy-Gruppen, in denen die chemische Struktur des Methans schon andeutungsweise zu erkennen ist. Hinweise, dass sich daraus das Methan bildet, hatten die Wissenschaftler bereits vor zwei Jahren gefunden. Jetzt haben die Forscher diesen Mechanismus in einer weiteren Arbeit eindeutig nachgewiesen, und zwar mit einer Isotopenanalyse: Sie ersetzten die Wasserstoffatome in diesen Gruppen durch Deuterium – schweren Wasserstoff. Anschließend fanden sie das Deuterium im Methan wieder.

Nach diesem Mechanismus kann sich aber nicht sämtliches Methan bilden – denn bei den Experimenten mit UV-Licht entsteht auch Methan ohne Deuterium. Dazu passt auch, dass Cellulose unter UV-Licht ebenfalls Methan bildet, wenn auch deutlich weniger als aus Pektin. Cellulose besitzt im Gegensatz zu Pektin nämlich keine Methoxy-Gruppen. „Wir haben noch keine Idee, wie dieser alternative Mechanismus aussehen könnte“, sagt Frank Keppler: „Gerade weil wir bislang nur einen Teil der Prozesse verstehen, die den Methan-Emissionen von Pflanzen zugrunde liegen, ist es schwierig, ihr globales Ausmaß abzuschätzen.“

[PH]

Originalveröffentlichung:

Frank Keppler, John T.G. Hamilton, W. Colin McRoberts, Ivan Vigano, Marc Braß und Thomas Röckmann
Methoxyl groups of plant pectin as a precursor of atmospheric methane: evidence from deuterium labelling studies

New Phytologist, 9. Mai 2008

Ivan Vigano, Huib van Weelden, Rupert Holzinger, Frank Keppler, Andy McLeod und Thomas Röckmann
Effect of UV-radiation and temperature on the emission methane from plant biomass and structural components

Biogeosciences in press