sumpfgas aus der ananas

Forscher sind unbekannten Methanquellen auf die Spur gekommen. Das Deutsche Weidelgras ist ein strapazierfähiges Gewächs, beliebt als Bewuchs von Sportplätzen oder Familiengärten. Doch im Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz werden Rasenbüschel von Lolium perenne umsorgt wie Patienten auf der Intensivstation. Unter einer Art Käseglocke in der Größe einer Mikrowelle wurzeln die Halme in einer blitzsauberen Watteschicht. Sensoren erfassen kontinuierlich alle Lebensprozesse. Schläuche und Kabelbündel winden sich von der Plexiglasglocke zu glänzenden Messgeräten und einem Rechner auf dem Nachbartisch, über dessen Monitor Datenkurven wandern. Durch die intensive Überwachung des Weidelgrases und anderer Pflanzen will Frank Keppler, Geochemiker am Mainzer Max-Planck-Institut, einem wissenschaftlichen Rätsel auf die Spur kommen: Wie erzeugen Büsche und Bäume, Blumen und Gräser das Treibhausgas Methan? 2006 fand Keppler zusammen mit Kollegen überraschend heraus, dass die Vegetation große Mengen an Methan ausstößt. Weltweit, schätzten die Forscher damals, gelangen dadurch pro Jahr zwischen 60 und 240 Millionen Tonnen Methan in die Atmosphäre, was 10 bis 40 Prozent der gesamten globalen Emissionen entsprechen würde. Das Gas der Kühe und Termiten In Lehrbüchern war bis dahin zu lesen, dass Methan (CH4) nur in sauerstofffreien Milieus entsteht. Mikroben in Sümpfen, Kläranlagen, Mülldeponien und in den Mägen von Wiederkäuern sowie Termiten galten als Hauptproduzenten. Methan ist der Hauptbestandteil aller möglichen Faulgase wie Klär- und Deponiegas, aber auch von Grubengas und nicht zuletzt von Erdgas. Daneben setzen Verbrennungsprozesse den Kohlenwasserstoff frei, vor allem Wald- und Buschbrände sowie das Verfeuern von Kohle und Gas. Und nun: Pflanzen als Klimasünder? „Es gab heftigen Widerspruch von allen Seiten. Viele Kollegen haben versucht zu zeigen, dass wir Artefakte gemessen haben”, berichtet Keppler. Niemand konnte erklären, auf welchem Weg die Pflanzen das Methan herstellen. Doch mittlerweile sind die meisten Kritiker überzeugt. Denn zahlreiche Experimente und Messungen im Freiland haben die Ergebnisse des Mainzer Teams bestätigt. „Allerdings hat sich gezeigt, dass die Methanemissionen je nach Umweltbedingungen und Pflanzenart sehr stark schwanken können”, sagt Keppler. Das Deutsche Weidelgras zum Beispiel erwies sich als ein relativ bescheidener Methan-produzent. Pro Gramm Eigengewicht stoßen die Grashalme in jeder Stunde nur fünf Milliardstel Gramm Methan aus. Einige tropische Pflanzen der Gattung Guzmania, zu der viele Zimmergewächse – darunter Bromelien und Zierananas – gehören, bringen es dagegen fast auf das Tausendfache dieses Werts. Wärme und vor allem ultraviolette Strahlung regen die Methanproduktion an, fanden die Forscher heraus. „Wir testen derzeit auch die Hypothese, dass die Pflanzen ganz allgemein auf Stress – etwa erzeugt durch Trockenheit – mit Methan-emissionen reagieren”, sagt Frank Keppler. Der Geochemiker weiß inzwischen, woher das Treibhausgas zumindest zum Teil kommt: Die Methanmoleküle stammen aus Pektin – einer Zuckerart, die viele Pflanzen als Stützmaterial verwenden. Das wiesen Keppler und seine Kollegen nach, indem sie Deuterium, schweren Wasserstoff, in pflanzliche Pektin-Moleküle einbauten. VERDÄCHTIG: ZELLULOSE Das Deuterium fanden sie anschließend im emittierten Methan wieder. „Pektin enthält sogenannte Methoxy-Gruppen”, erläutert Keppler. Diese Anhängsel der Polymer-Ketten bestehen aus einem Sauerstoff- und einem Kohlenstoff-Atom sowie drei Wasserstoff-Atomen: Die chemische Struktur des Methans ist darin schon im Ansatz zu erkennen. Doch auch andere pflanzliche Substanzen könnten die Quelle des Treibhausgases sein, zum Beispiel Zellulose. „Wir haben aber noch keine Idee, wie der Zersetzungsmechanismus in diesem Fall ablaufen könnte”, gesteht Keppler. Mit Abschätzungen zur gesamten von Pflanzen emittierten Menge an Methan tut sich Keppler noch schwer: „Die Prognose, dass pflanzliche Quellen einen Anteil von 40 Prozent an den weltweiten Emissionen haben, war wahrscheinlich zu hoch gegriffen, aber 10 Prozent halte ich für durchaus denkbar”, sagt der Geochemiker. In einer ähnlichen Größenordnung könnte bald der Beitrag einer anderen Quelle zur weltweiten Emission des Treibhausgases liegen: die Freisetzung von Methan aus Methanhydrat – einer eisähnlichen Substanz, die in vielen Regionen der Weltmeere in Sedimenten am Meeresboden steckt. Schon lange vermuten die Wissenschaftler, dass bei steigenden Wassertemperaturen durch den globalen Klimawandel das darin gebundene Methan entweichen könnte und den Treibhauseffekt in der Atmosphäre künftig noch verstärkt. Nun fanden britische und deutsche Forscher, unter anderem vom Leibniz-Institut für Geowissenschaften (IFM Geomar) an der Universität Kiel, bei Echolot-Messungen im Nordpolarmeer heraus, dass die Zersetzung des Methanhydrats dort bereits in vollem Gange ist. Die von den Wissenschaftlern entdeckten rund 250 Quellen von Methanblasen in bis zu 400 Meter Tiefe zeugen davon, dass sich in dieser Meeresregion große Mengen von Methanhydrat auflösen. ERTAPPT: CYANOBAKTERIEN Derweil rätseln die Forscher weiter über die – bis vor Kurzem noch unbekannten – neuen Methanquellen. Landpflanzen sind nicht die einzigen, die hier offenkundig eine Rolle spielen. Auch in den sauerstoffreichen obersten Meeresschichten entsteht Methan – ein Phänomen, das vor einigen Jahren durch Satellitenmessungen ans Licht kam und das die Wissenschaftler lange nicht erklären konnten. Einige Forscher vermuteten, dass es im Meer sauerstofffreie „Mikrohabitate” gibt, etwa die Gedärme von Tieren oder herabsinkende Ansammlungen toter Pflanzenmasse, wo die typischen Methanbakterien ihr Fäulniswerk verrichten. Im Sommer 2008 entdeckte ein amerikanisches Forscherteam um David Karl von der University of Hawaii jedoch, dass solche sauerstofffreien Zonen nicht nötig sind, um die Methanproduktion im Ozean zu erklären. Weit verbreitete Mikroben aus der Gruppe der Cyanobakterien können den Kohlenwasserstoff herstellen, berichten Karl und seine Kollegen. Die Einzeller brauchen normalerweise Phosphat-Verbindungen für ihren Stoffwechsel. Doch wenn diese Nährsalze im Wasser knapp sind, greifen sie auf Ersatzstoffe zurück, die im Meerwasser gelöst sind und wahrscheinlich aus pflanzlichem Plankton stammen. Verwenden die Mikroben diese sogenannten Phosphonate als Phosphor-Quelle, insbesondere Methylphosphonat – die einfachste Verbindung dieser Gruppe –, entsteht durch den bakteriellen Stoffwechsel Methan. Nach diesen unerwarteten Erkenntnissen muss das globale Methanbudget neu aufgeteilt werden. Die Gesamtemissionen sind relativ gut bekannt: 550 bis 600 Millionen Tonnen werden auf der Welt jährlich freigesetzt. Davon sind etwa 45 Prozent natürlichen Ursprungs. Messungen des europäischen Satelliten Envisat zeigten bereits 2005, dass über tropischen Wäldern größere Methanwolken aufsteigen, was sich nun nach Frank Kepplers Studien durch die intensive Produktion des Kohlenwasserstoffs in vielen Dschungelpflanzen schlüssig erklären lässt. „Doch wenn die Wälder Methan ausstoßen, bedeutet das wahrscheinlich, dass Sümpfe und Feuchtgebiete weniger freisetzen als bislang angenommen”, sagt Ed Dlugokencky von der US-Klimabehörde NOAA in Boulder, Colorado. Sonderbare Stagnation In Klimamodellen, die die künftige globale Erwärmung simulieren, ist die neue Methan-quelle noch nicht eingebaut. Dafür sei es noch zu früh, sagt Frank Keppler, da die von Pflanzen emittierten Mengen nur ungenau bekannt sind. Der Forscher vermutet allerdings, dass sie in einer wärmeren Welt noch zunehmen werden – weil eine höhere Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre die Pflanzen schneller wachsen lässt, und weil Pflanzen bei höheren Temperaturen mehr Methan freisetzen. Schon lange grübeln Klimaforscher darüber, wie sich der Methangehalt der Atmosphäre in der Vergangenheit entwickelt hat. Wie der Kohlendioxid-Anteil nahm auch der Anteil von Methan in der Atmosphäre seit 1750 stark zu, belegen Konzentrationsmessungen in Eis oder Firn eingeschlossener Luftbläschen. Gründe sind vor allem die veränderte Landnutzung und die Verbrennung fossiler Rohstoffe. Zu Beginn der Industrialisierung waren unter einer Milliarde Luft-Teilchen etwa 700 Methanmoleküle. Inzwischen ist ihr Anteil auf bis zu 1800 angestiegen. Merkwürdigerweise verlangsamte sich der bis dahin steile Anstieg Anfang der 1990er-Jahre, von 1999 bis 2007 stagnierte der Methangehalt sogar – ein Phänomen, das sich die Wissenschaftler bislang nicht erklären konnten. Frank Kepplers Entdeckung bietet nun eine mögliche Lösung des Rätsels: Die natürlichen Methanemissionen könnten gesunken sein, weil seit 1990 viele tropische Wälder abgeholzt wurden. Ebenso lässt sich eine weitere seltsame Beobachtung nun deuten: Nach dem Ende der Eiszeiten stieg die Methan-konzentration jedes Mal plötzlich stark an. „Bisher hielt man wachsende Feuchtgebiete für die Ursache dieses Anstiegs”, sagt Frank Keppler. Doch die Pflanzen bieten eine viel elegantere Erklärung. Der Urwald im Amazonasgebiet, berichtet er, schrumpfte zum Beispiel während der Eiszeiten um die Hälfte, erreichte nach dem Ende des Frostes aber schnell wieder seine ursprüngliche Ausdehnung. Womöglich beschleunigten die Pflanzen also das Erwachen der Erde aus der Kältestarre. Mit der heutigen Erwärmung hat das Grünzeug aber nicht viel zu tun, betont Keppler: „Dafür kann man die Pflanzen nicht verantwortlich machen.” ■ Ute Kehse berichtet für bild der wissenschaft regelmäßig über die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse aus der Geo- und Klimaforschung. von Ute Kehse Gut zu Wissen: Methan Methan ist ein farb- und geruchloses Gas mit einer geringeren Dichte als Luft. Ein Methanmolekül besteht aus einem Kohlenstoff-Atom, um das vier Wasserstoff-Atome angeordnet sind. Das brennbare Gas wird auf der Erde ständig neu gebildet: Es entsteht beispielsweise, wenn Methanbakterien organische Stoffe wie Gräser, Jauche oder Klärschlamm zersetzen. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas, es liegt als gefrorenes Methanhydrat auf dem Meeresgrund und steckt in Sümpfen und Mooren. Es ist eines der bedeutendsten Treibhausgase in der Atmosphäre und etwa 25- mal so wirksam wie Kohlendioxid (CO2). Nur wegen seines deutlich kleineren Anteils ist der Einfluss des Methans auf das Klima geringer. Die Methanmenge in der Atmosphäre hat sich in den letzten 250 Jahren fast verdreifacht. Das gefrorene Methanhydrat wird als möglicher Brennstoff der Zukunft gehandelt. Experten schätzen die weltweiten Vorkommen auf bis zu 3000 Milliarden Tonnen. GROSSE UNSICHERHEIT Rund 55 Prozent des Methans in der Atmosphäre entstammen anthropogenen Quellen wie Landwirtschaft oder Energiegewinnung. Der Rest ist natürlichen Ursprungs und wird etwa durch Faulprozesse erzeugt. Der Beitrag von Pflanzen ist nicht genau bekannt. Die Schätzungen reichen von 10 bis 100 Teragramm (Billionen Gramm) pro Jahr. Treibhaus-wolken über dem Dschungel Satellitenmessungen der Methankonzentration in der Atmosphäre von 2003 bis 2005 zeigen im Mittel einen besonders hohen Anteil des Klimagases über den tropischen Regenwäldern im nördlichen Südamerika und in Westafrika – ein Indiz für die intensive Methanproduktion durch die Dschungelpflanzen. Zum hohen Methangehalt über Sibirien tragen vor allem Sumpfgebiete bei. Kompakt · Forscher fanden überraschend heraus, dass Pflanzen reichlich Methan erzeugen. · Wärme und UV-Licht kurbeln offenbar die Produktion des Gases an. · Auch Mikroben im Meer steigern den Methangehalt der Atmosphäre. Frank Keppler wollte in seinem Geologiestudium der Entstehung der Erde nachgehen. Heute erforscht er, wie es mit der Atmosphäre in Zukunft weitergehen wird. Nach dem Wehrdienst studierte Keppler (Jahrgang 1967) Mineralogie und Geologie an der Universität Heidelberg. 1990 folgte ein einjähriger Auslandsaufenthalt in Indonesien und Australien. „Damals dachte ich: Wenn man sich schon mit der Zusammensetzung der Erde beschäftigt, sollte man auch etwas von der Welt gesehen haben”, sagt Keppler. Von 2002 bis 2004 forschte er im nordirischen Belfast. Hier kam ihm die Idee, dass Pflanzen Methan produzieren könnten. Doch erst zurück in Deutschland hatte er die technischen Möglichkeiten, seine These zu beweisen. 2006 erhielt er für seine Arbeiten gleich zwei Preise: den Isotopenpreis der Dr.-Karleugen-Habfast-Stiftung und den European Young Investigator Award. Die wissenschaftliche Karriere von Frank Keppler, der nun am Mainzer Max-Planck-Institut für Chemie forscht, war so abwechslungsreich wie die Themen, die er bislang beackert hat: „vom Boden über die Biosphäre zur Luft.” Mehr zum Thema Internet Messresultate zu Treibhausgasen vom Institut für Umweltphysik der Uni Bremen: www.iup.uni-bremen.de/sciamachy/nir_nadir_wfm_doas Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz: www.mpch-mainz.mpg.de/mpg Presseinformation zur Entdeckung, dass Pflanzen Methan produzieren: www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/2006/pressemitteilung20060110 Infos über Methan in der Chemikaliendatenbank von Thomas Seilnacht: www.seilnacht.com/Chemie/ch_methan.htm