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"Carbonic anhydrase: where the CO2, COS and H2O cycles meet"

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Tieferes Verständnis von terrestrischen Kohlenstoffkreisläufen trägt zur genaueren Modellierung des Klimawandels bei

Bei der Quantifizierung des Kohlendioxidspeicherungspotenzials von Landökosystemen muss der relative Anteil von Photosynthese und Atmung am globalen Kohlenstoffkreislauf berücksichtigt werden. Das Projekt SOLCA entwickelte einen ambitionierten Ansatz, um diese Herausforderung anzugehen.

Klimawandel und Umwelt

Landökosysteme nehmen 25-30 % der Kohlenstoffemissionen von fossilen Brennstoffen auf. Bei der Photosynthese durch Pflanzen wird der Großteil des Kohlenstoffs aus der Atmosphäre entfernt, um Zucker herzustellen, welche das Pflanzenwachstum fördern. Zersetzer von Pflanzen und Böden setzen durch Atmung zudem CO2 wieder in die Atmosphäre frei. Die Landbiosphäre ist derzeit aufgrund eines geringfügigen Ungleichgewichts zwischen Photosynthese und Atmung eine CO2-Nettosenke. Um das gesamte Potenzial der Kohlendioxidspeicherung auszuschöpfen und die zukünftige Reaktion auf den Klimawandel vorherzusagen, ist es erforderlich, diese Ströme genauer zu bestimmen. Die gesonderte Messung von Photosynthese und Atmung ist eine wichtige Herausforderung, die angegangen werden muss, da diese Prozesse die Grundlage für den terrestrischen Kohlenstoffkreislauf sind und derzeit in Erdsystemmodellen (ESM) abgebildet werden, um Klimaprognosen und Abschwächungshilfen bereitzustellen. Das EFR-finanzierte Projekt SOLCA (Carbonic anhydrase: where the CO2, COS and H2O cycles meet) nutzte Kohlenstoffoxysulfid (COS) und die Sauerstoffisotopenzusammensetzung von Kohlendioxid (CO18O) als Indikatoren für photosynthetische Aktivitäten. Diese werden durch Carboanhydrase (CA) aufgenommen, ein Enzym bei der Photosynthese, das die Hydratation von CO2 und die Hydrolyse von COS beschleunigt. Carboanhydrase ist im Boden vorhanden. Das oberste Ziel von SOLCA war die Ermittlung ökologischer und physikalischer Mechanismen, welche die CA-Aktivität in Böden mit verschiedenen Biomen steuern.

Die Pionierarbeit angehen

Das Projektteam erstellt ein Gasaustauschsystem, das gleichzeitig CO18O- und COS-Ströme von klimakontrollierten Bodenmikrokosmen messen kann. Mithilfe von Bodenproben, die von Biomen mit trockenen Systemen im Mittelmeerraum bis hin zu feuchten borealen Wäldern reichten, und unter Verwendung von Modellierungsalgorithmen, die das Team entwickelt hatte, war es erstmals möglich, die CA-Aktivität für beide Indikatoren abzuschätzen. Die chemischen, strukturellen und mikrobiellen Eigenschaften von jedem dieser Böden wurde ebenfalls gemessen, um die Impulsgeber für die CA-Aktivität über eine Reihe von Kontinenten und Jahreszeiten hinweg zu ermitteln. Diese neuen Kenntnisse wurden dann in ein einzigartiges ESM-Modell eingebunden, um COS- und CO18O-Konzentrationen in der Atmosphäre mit Photosynthese- und Atmungsänderungen in größeren Maßstäben in Verbindung zu setzen. Durch den Vergleich dieser Vorhersagen mit realen Messungen, die durch ein globales Netz von atmosphärischen Stationen gesammelt worden waren, konnte das Team unter Verwendung dieser Indikatoren genauere Abschätzungen zur globalen Photosynthese durchführen. „Gemäß der Hypothese tendieren Böden dazu, wenn diese mehr mikrobielle Biomasse enthalten, höhere CO2-Hydratations- und COS-Hydrolyseraten aufzuweisen. Es ist jetzt zum ersten Mal möglich, vorherzusagen, wie die CA-Aktivität im Boden mit der Landoberfläche variiert, und den Austausch von COS und CO18O zwischen Bodenoberflächen und der Atmosphäre abzuschätzen“ sagt Lisa Wingate, eine forschende Wissenschaftlerin am französischen Institut für Agrarforschung, die das Projekt leitete. „Diese Verbindung zwischen Böden (und Pflanzen) und der jahreszeitlichen Variabilität von CO2, COS und CO18O in der Atmosphäre zu verstehen, kann zur Verbesserung der Erdsystemmodelle der nächsten Generation beitragen und Unsicherheiten in den Reaktionen unserer Ökosysteme auf zukünftige Klimaveränderungen reduzieren.“

Dekarbonisierungsmaßnahmen unterstützen

Die Ergebnisse von SOLCA werden zur Entwicklung neuer Theorien und Modellierungsinstrumente beitragen, mit denen unser Verständnis des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufs verbessert werden kann. Die meisten Datensätze des Projekts sind der Forschungsgemeinde derzeit frei zugänglich, während an der Veröffentlichung weiterer Datensätze gearbeitet wird. Mit Blick auf die Zukunft sagt Wingate: „Da Strategien zur Beseitigung von Kohlendioxid immer mehr Berücksichtigung finden, könnte unser Verständnis von der CA-Aktivität in Reaktion auf das Klima uns dabei helfen, besser nachvollziehen zu können, wie die natürliche Verwitterung von Silikat- und Karbonatgestein in Ökosystemen reguliert wird und zu Lösungen auf natürlicher Basis zur Entfernung von CO2 aus der Atmosphäre führen, indem die Verwitterung künstlich verbessert wird.“

Schlüsselbegriffe

SOLCA, Kohlenstoffsenke, Kohlenstoffkreislauf, Strom, CO2, Atmung, Photosynthese, Biomasse, mikrobiell, Emissionen, Klimawandel

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