Pflanzen schützen sich vor selbstverursachten Luftschadstoffen

Bäume und anderen Pflanzen geben Isopren an die Atmosphäre ab. Durch Oxidationsprozesse entstehen daraus für Pflanzen schädliche Verbindungen. Forscherinnen und Forscher der Universität Innsbruck haben nun einen Mechanismus aufgedeckt, mit dem sich die Pflanzen vor diesen Verbindungen schützen, und entdeckten damit eine wichtige biogene Quelle von oxidierten flüchtigen organischen Verbindungen in der Atmosphäre.

Pflanzen geben großen Mengen des Kohlenwasserstoffs Isopren an die Atmosphäre ab, pro Jahr etwa 600 Millionen Tonnen, die Hälfte davon stammt von tropischen Wäldern. Das entspricht etwa der jährlichen Emission von Methan auf der Erde. „Es wird vermutet, dass Bäume Isopren emittieren, um sich vor oxidativem Stress zu schützen“, erläutert Armin Hansel vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck. Gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Deutschland, Finnland und den USA hat seine Arbeitsgruppe nun diese Wechselbeziehung von Atmosphäre und Pflanzenwelt näher untersucht.

Pflanzen entschärfen Isopren-Photooxitationsprodukte

In der Atmosphäre wird das von den Pflanzen abgegebene Isopren durch Photooxidation sehr rasch in für Pflanzen schädliche Verbindungen umgewandelt. Die Innsbrucker Wissenschaftler haben junge Pappeln im Labor geringen Dosen dieser Verbindungen ausgesetzt und den Gasaustausch unter kontrollierten Bedingungen studiert. Für die Messungen nutzten die Wissenschaftler ein speziell entwickeltes Massenspektrometer das auch kleinste Konzentrationen dieser chemischen Verbindungen nachweisen kann.

Ähnliche Geräte werden vom Innsbrucker Technologieunternehmen Ionicon Analytik vertrieben. Solche Geräte kamen auch auf Messtürmen in Wäldern in Finnland und den USA zum Einsatz. Anhand der Daten konnten die Forscherinnen und Forscher zeigen, dass Bäume die schädlichen Verbindungen in ihre Blätter aufnehmen und in die ungefährliche Verbindung Methylethylketon umwandeln.

Durch Analysen der Blätter aus den Laborexperimenten im Helmholtz Zentrum München konnte ein Enzym identifiziert werden, dass sehr wahrscheinlich für den Entgiftungsprozess verantwortlich zeichnet. „Da dieses Enzym in Pflanzen weltweit vorkommt, gehen wir davon aus, dass dieser Prozess global von großer Bedeutung ist“, resümiert Eva Canaval, Erstautorin der nun im Fachmagazin Communications Earth & Environment erschienen Forschungsarbeit.

Natürliche Quelle von Ketonen

Auf Basis dieser Ergebnisse haben Wissenschaftler der University of Minnesota mit einem globalen Computermodell die jährliche Produktion von Methylethylketon simuliert. „Diese Simulationen zeigen, dass Pflanzen rund 1,5 Prozent des emittierten Isopren umwandeln“, sagt Eva Canaval. „Mit rund 5,6 Millionen Tonnen weltweit ist dies die größte bekannte natürliche Quelle für Methylethylketon.“ Die Messdaten aus Wäldern in Finnland und den USA bestätigen dies. Die Wissenschaftler vermuten, dass dieser Entgiftungsprozess in Pflanzen eine der wichtigsten natürlichen Quellen für oxidierte flüchtige organische Verbindungen in der Atmosphäre darstellt.

Finanziell unterstützt wurden die Forschungsarbeiten an der Universität Innsbruck unter anderem vom Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Forschung und der Europäischen Union.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Eva Canaval
Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507 52645
E-Mail: eva.canaval@uibk.ac.at
Web: https://www.uibk.ac.at/ionen-angewandte-physik/

Originalpublikation:

Rapid conversion of isoprene photooxidation products in terrestrial plants. Eva Canaval, Dylan B. Millet, Ina Zimmer, Tetyana Nosenko, Elisabeth Georgii, Eva Maria Partoll, Lukas Fischer, Hariprasad D. Alwe, Markku Kulmala, Thomas Karl, Jörg-Peter Schnitzler, Armin Hansel. Communications Earth & Environment 2020 doi: 10.1038/s43247-020-00041-2 (https://doi.org/10.1038/s43247-020-00041-2)

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