Verborgene Talente der Moose und Flechten

Moose und Flechten in tropischen Regenwäldern emittieren hochreaktive und partikelbildende Moleküle, die Luftqualität, Klima und Ökosystemprozesse beeinflussen.

Tropische Regenwälder sind weltweit die bedeutendste Quelle biogener flüchtiger organischer Verbindungen (BVOCs). Diese Verbindungen haben großen Einfluss auf die Konzentration von oxidativen Stoffen und somit auf die Selbstreinigungskraft der Atmosphäre. Zudem tragen sie zur Partikelbildung bei und beeinflussen über Wolkenbildung und Niederschlag das Erdklima. Bislang nahm man an, dass die Blätter der Urwaldbäume die wichtigste Quelle dieser Emissionen sind. Nun aber fanden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem des Max-Planck-Instituts für Chemie (Mainz), der Universität Graz sowie des Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (INPA) im Rahmen des ATTO-Projekts heraus, dass auch Moose und Flechten große Mengen an hochreaktiven und partikelbildenden Sesquiterpenoide emittieren. Diese haben Einfluss auf die atmosphärische Zusammensetzung und wirken sich auf die Luftqualität, das Klima und die Ökosystemprozesse aus. Bisher lassen Atmosphären- und Klimamodelle Moose und Flechten außer Acht.

Tropische Regenwälder geben eine Vielzahl an reaktiven flüchtigen organischen Verbindungen an die Luft ab. Jonathan Williams, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Chemie (MPIC) in Mainz, erklärt dazu: „Wir messen mithilfe des ATTO Turms im Amazonas Regenwald die vom Wald emittierten flüchtigen organischen Verbindungen, sogenannte VOCs, in verschiedenen Höhen. Dabei erforschen wir, was die Atmosphäre mit diesen Verbindungen macht. Beispielsweise, wie sich die Ozon- oder Partikelkonzentrationen verändern. Bisher dachten wir, dass diese Verbindungen hauptsächlich von den Bäumen emittiert werden.“ Doch eines fiel auf, erläutert Achim Edtbauer, Erstautor einer jetzt veröffentlichten Studie: „Wenn man sich im Regenwald genau umschaut, erkennt man, dass ein Großteil der Flächen auf Baumstämmen, Lianen und teilweise auch auf den Blättern von Flechten und Moosen bedeckt sind.“ Angesicht dieser großflächigen Bedeckung mit sogenannten Kryptogamen, denen auch Moose und Flechten angehören, stellten sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Frage, ob Flechten und Moose auch zur Emission von flüchtigen organischen Verbindungen im tropischen Regenwald beitragen.

Was bewirken Kryptogamen?

Über einen Zeitraum von zwei Jahren (November 2016 – November 2018) haben die Forschenden im Umfeld der ATTO Station die Emissionen biogener flüchtiger organischer Verbindungen (BVOC) von zehn Moos- und zehn Flechtenproben gemessen. „Wir haben jeweils zwei kleine Glasküvetten aufgestellt. In die eine haben wir eine Probe eines gewöhnlichen Mooses oder einer Flechte gegeben, die andere haben wir leer gelassen. Durch beide Gefäße haben wir Luft aus dem Dschungel gepumpt und die austretende Luft mit Hilfe eines Flugzeitmassenspektrometers (PTR-TOF MS) analysiert“, beschreibt Achim Edtbauer den Versuchsaufbau.

Das Ergebnis: Flechten und Moose emittieren erhebliche Mengen an reaktiven Verbindungen vom Typ Sesquiterpenoid. Das sind Verbindungen mit 15 Kohlenstoffatomen (C15), die in einer Vielzahl von Formen angeordnet sind. Diese Moleküle reagieren schnell mit Ozon und bilden sauerstoffhaltige Verbindungen und Partikel in der Luft. „Wenn man die Menge der C15-Emissionen von Moosen und Flechten hochrechnet, kommt man auf ähnliche Emissionswerte wie bei den Bäumen“, zeigt sich Edtbauer immer noch erstaunt.

Hochgerechnet auf die weltweite Fläche von tropischen Regenwäldern tragen Flechten und insbesondere Moose (– sie emittieren fast zehn Mal so viel wie die Flechten–) substantiell zu den globalen Emissionen von Sequiterpenoiden bei. „Da Flechten und Moose große Teile der Landoberfläche bedecken, könnten sie eine wichtige Rolle für den Austausch von natürlichen flüchtigen organischen Verbindungen (BVOCs) in Ökosystemen beziehungsweise weltweit spielen“, resümiert Bettina Weber, Expertin für Kryptogame und Professorin an der Universität Graz. Trotz dieser potenziellen Bedeutung sei nur wenig über ihre BVOC-Emissionen bekannt. Studien über den BVOC-Austausch von Moosen und Flechten beschränkten sich auf einige wenige Arten der borealen und mittleren Breiten, die im Allgemeinen im Vergleich zu den dortigen Bäumen relativ geringe Mengen an BVOC freisetzten, so Bettina Weber. Folgestudien, die den Austausch von BVOCs von Moosen und Flechten unter kontrollierten Laborbedingungen messen, seien wichtig, so die Forscherin. Nur so könne herausgefunden werden, wie sich Temperatur, Licht und Luftfeuchte auswirken und nach weiteren Variablen gesucht werden, die den Austausch steuern. Dadurch könnten diese Emissionen in Atmosphären- und Klimamodelle integriert werden um z.B. die Auswirkungen von Trockenheit auf den Regenwald genauer abbilden zu können.

Flechten und Moose beeinflussen das Mischungsverhältnis der Chemikalien im Wald

Die Experimente im Urwald förderten noch eine weitere Entdeckung zu Tage: Moose und – in diesem Fall – insbesondere Flechten nehmen Oxidationsprodukte von Isopren aus der Luft aus. Die Geschwindigkeit, mit der sie das tun, ist vergleichbar mit dem Prozess, wie diese oxidierten Moleküle durch Reaktionen mit Radikalen aus der Luft entfernt werden. Somit verändern die Kryptogamen das Mischungsverhältnis der vom Wald produzierten Chemikalien. „Interessant ist, dass Flechten und Moose Verbindungen wie Isopren, die von den Bäumen direkt emittiert werden, nicht aufnehmen. Sie lassen vielmehr die Emissionen sozusagen zuvor von der Atmosphäre „kochen“, nehmen also nur oxidierte Moleküle auf“, ergänzt Jonathan Williams.

Insgesamt zeigen die Studien einmal mehr, welche Überraschungen der Regenwald für die Forschung bietet. Und für Williams und sein Team wird es sicher nicht die letzte Reise in den Dschungel sein.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Achim Edtbauer
Max-Planck-Institut für Chemie
Abteilung Atmosphärenchemie
E-Mail: a.edtbauer@mpic.de
Tel.: +49 6131 305-4521

Prof. Jonathan Williams
Max-Planck-Institut für Chemie
Abteilung Atmosphärenchemie
E-Mail: jonathan.williams@mpic.de
Tel.: +49 6131 305-4500

Prof. Bettina Weber
Universität Graz
Institut für Biologie
E-Mail: bettina.weber@uni-graz.at
Tel.: +43 316 380–5694

Originalpublikation:

„Cryptogamic organisms are a substantial source and sink for volatile organic compounds in the Amazon region“
Achim Edtbauer, Eva Y. Pfannerstill, Ana Paula Pires Florentino, Cybelli G. G. Barbosa, Emilio Rodriguez-Caballero, Nora Zannoni, Rodrigo P. Alves, Stefan Wolff, Anywhere Tsokankunku, André Aptroot, Marta de Oliveira Sá, Alessandro C. de Araújo, Matthias Sörgel, Sylvia Mota de Oliveira, Bettina Weber, and Jonathan Williams
Nature Earth and Environment (XXXX)
DOI: 10.1038/s43247-021-00328-y

Weitere Informationen:

https://www.mpic.de/5103449/moose-und-flechten-bvoc