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Reduktion von klimaschädlichem Lachgas bisher unterschätzt

Böden können reaktiven Stickstoff effektiv in unschädlicher Form an die Atmosphäre zurückführen. Zu diesem Schluss kommt ein Statusbericht zur Produktion von Lachgas, an dem Forscher des KIT-Instituts für Meteorologie und Klimaforschung führend mitgewirkt haben.

Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift "Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences" darlegen, besitzt die Reduktion von klimaschädlichem Distickstoffoxid zu unbedenklichem molekularem Distickstoff eine wesentlich wichtigere Bedeutung als bisher angenommen. Diese Erkenntnis weist einen Weg zur künftigen Minderung von Lachgasemissionen.

Lachgas (Distickstoffoxid, N2O) trägt als Treibhausgas zum Klimawandel bei und schädigt die Ozonschicht: So ist die Treibhauswirkung von einer bestimmten Menge Distickstoffoxid in der Atmosphäre rund 300-mal stärker als die der gleichen Menge Kohlenstoffdioxid (CO2). Seit der Verbannung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) zerstört N2O zudem die stratosphärische Ozonschicht stärker als jeder andere Stoff.

Die Menschheit hat seit Beginn der Industrialisierung vor allem durch Herstellung und Verwendung von Mineraldünger den globalen Kreislauf von reaktivem Stickstoff mehr als verdoppelt. Dies hat nicht nur zu einer schleichenden Anreicherung von Nährstoffen in Ökosystemen geführt, was unter anderem die Biodiversität erheblich verringert, sondern auch zu einer Intensivierung von Stickstoffumsetzungen in Böden und Gewässern.

Durch den somit verstärkten Abbau von Nitrat durch spezielle Mikroorganismen - die sogenannte mikrobielle Denitrifikation - wird vermehrt Lachgas im Boden gebildet und in die Atmosphäre emittiert. So ist die Konzentration von N2O in der Atmosphäre im Vergleich zu vorindustrieller Zeit um etwa 20 % angestiegen. Denitrifikation produziert jedoch nicht nur N2O, sondern kann dieses auch zu molekularem Distickstoff (N2) reduzieren. "Somit entspricht die aus Böden an die Atmosphäre entweichende Lachgasmenge der Bilanz aus N2O-Produktion und der Reduktion zu N2. Molekularer Distickstoff ist unter Umweltaspekten völlig unbedenklich", erläutert Dr. Michael Dannemann vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung - Atmosphärische Umweltforschung (IMK-IFU) des KIT.

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Messroboter: Das vom KIT betriebene Gerät misst Lachgasemissionen aus dem Boden vollautomatisch. (Foto: Dr. Eugenio Díaz-Pines)

Ein Team von Wissenschaftlern um die KIT-Klimaforscher Prof. Klaus Butterbach-Bahl, Dr. Ralf Kiese und Dr. Michael Dannenmann vom IMK-IFU hat nun auf Einladung der britischen Royal Society einen Statusbericht zum gegenwärtigen Wissen über die N2O-Produktion und die dafür verantwortlichen Prozesse verfasst. In ihrer Publikation in der Zeitschrift "Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences" führen die Wissenschaftler acht verschiedene mikrobiologische und chemische Prozesse der N2O-Entstehung auf. Zugleich sind derzeit acht Prozesse bekannt, die N2O zu N2 reduzieren.

Die mikrobielle Reduktion von N2O zu N2 ist bisher allerdings kaum verstanden. Denn Messungen der N2-Neubildung - im Gegensatz zu N2O - sind technisch enorm schwierig, da die Atmosphäre zu 78 % aus N2 besteht. Die bisher gebräuchlichste Methode zur Messung von N2-N2O-Emissions-Verhältnissen ist die sogenannte Acetylen-Inhibierungsmethode, die das Problem der N2-Messung durch Hemmung der N2O-Reduktion umgeht: N2-Produktion wird indirekt als erhöhte N2O-Produktion bei Acetylen-Zugabe gemessen. Messungen mit dieser Methode ergaben, dass im Durchschnitt pro Kilogramm tatsächlich emittiertem N2O etwa die gleiche Menge N2O durch Denitrifikation zu N2 reduziert wurde und somit nicht als Treibhausgas und Ozonzerstörer, sondern als harmloses Gas in die Atmosphäre gelangte.

Tatsächlich aber ist der N2O-Verbrauch durch Umwandlung in N2 wesentlich größer, wie die Wissenschaftler vom IMK-IFU des KIT in ihrer Publikation darlegen. "Die Acetylen-Inhibitierungsmethode führt zu systematischer Unterschätzung der Reduktion von N2O zu N2", erläutert Dr. Michael Dannenmann. Dies zeigt die Anwendung von modernen Methoden zur direkten Messung der N2-Produktion, wie der am KIT entwickelten Helium-Inkubationsmethode. Studien, die auf solchen technisch aufwendigen, direkten und damit zuverlässigen N2-Messungen basieren, kommen zu dem Ergebnis, dass für eine bestimmte Menge an emittiertem N2O im Durchschnitt etwa die vierfache Menge zu N2 reduziert wurde. Damit kommt der N2O-Reduktion zu N2 eine wesentlich wichtigere regulative Rolle bei der Deaktivierung reaktiven Stickstoffs zu als bisher angenommen. Dies lässt darauf schließen, dass Böden reaktiven Stickstoff in Ökosystemen wesentlich effektiver in unschädlicher Form an die Atmosphäre zurückführen als bisher gedacht.

Die Ergebnisse der Forscher bedeuten zwar nicht, dass weniger N2O emittiert wird. Die größere Bedeutung der N2O-Reduktion zu N2 weist jedoch einen Weg zur zukünftigen Minderung von N2O-Emissionen: "Wenn es uns gelingt, die Regulierung der N2O-Reduktion besser zu verstehen, dann können wir, beispielsweise durch angepasste Bewirtschaftung in landwirtschaftlichen Ökosystemen, das klima- und ozonschädliche Distickstoffoxid verstärkt in ein völlig harmloses Gas umwandeln", sagt Michael Dannenmann. Wie die KIT-Wissenschaftler erklären, bedarf es dazu eines noch besseren Verständnisses, wie die mikrobielle Diversität im Boden die Reduktion von N2O zu N2 beeinflusst. Neue molekularbiologische Ansätze liefern dazu erste vielversprechende Erkenntnisse.

Klaus Butterbach-Bahl, Elizabeth Baggs, Michael Dannenmann, Ralf Kiese, Sophie Zechmeister-Boltenstern: Nitrous oxide emissions from soils - how well do we understand the processes and their controls? Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences; 368; July 5, 2013. DOI 10.1098/rstb.2013.0122.

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