Kohlenstoffkreislauf & Huminstoffe Flashcards
Wie kommt Kohlenstoff hauptsächlich in der Natur vor?
CO2
Carbonat CO3^2-
Hydrogencarbonat HCO3^2-
in organischen Stoffen
Nutzung von CO2
- Natur: produziert während der Atmung, verbraucht bei der Photosynthese
- industriell: als Trockeneis, in Getränken, Pflanzendüngemittel, als Kältemittel in Klimaanlagen, Abführmittel (Zäpfchen), in Feuerlöschern, ..
- entsteht allerdings als Nebenprodukt in großem Maße bei der Verbrennung/Oxidation C-haltiger Substanzen
- Giftigkeit: ab 5% in Luft Kopfschmerzen, Schwindel, Atemnot, Bewusstlosigkeit; ab 8% 30-60 Min. tot
Vulkanismus und CO2-Eintrag
nur sporadisch
kann sehr intensiv sein
im Schnitt Eintrag von 0,1 Gt C/Jahr
durch Erhitzung von kalkhaltigen Gesteinsschichten:
CaCO3 + SiO2 –> CaSiO3 + CO2
Kohlenstoff und Vegetation
- etwa ¼ der Landfläche von Wäldern bedeckt
- 90% des in Vegetation gebundenen Kohlenstoffs befindet sich in Wäldern
- Phytomasse stellt 99% der Biomasse
Photosynthese:
6CO2 + 6H2O + hv –> C6H12O6 + 6CO2
Atmung:
C6H12O6 + 6CO2 -> 6CO2 + 6H2O + Energie
Nettoprimärproduktivität (NPP)
Aufnahme der Pflanzen durch PS minus Atmung
ca 60 Gt C/Jahr
Nettoökosystemproduktivität (NEP)
NPP minus Zersetzung der Streu am Boden
ca 6 Gt C/Jahr
Waldtypen und ihr C-Anteil
Tropen: 375 Mrd t C
gemäßigte Breiten: 100 Mrd t C (33 davon als Lebendmaterial)
Boreale Nadelwälder: 45 - 119 Mrd t C (64 davon als Lebendmaterial)
nördliche Wälder wirken als C-Senke
C-Kreislauf im Ozean
größter CO2-Speicher ( ~ 40 000 Gt)
C-Umbaureihe durch Diffusion, Photosynthese, Respiration, Kalkausscheidungen, Zirkulation und Sedimentation (als eigentliche CO2-Senke)
größter Teil des CO2 im Ozean durch Austausch mit der Atmosphäre (weniger durch Eintrag aus Flüssen oder unterseeischer vulkanischer Aktivität)
C-Reaktionsketten im Wasser
CO2 + H2O H2CO3 H2CO3 H^+ + HCO3^- H^+ + HCO3^- 2 H^+ + CO3^2- Reaktionen folgen Massenwirkungsgesetz mit GGKonstanten K für jede einzelne Reaktion Je größer K, desto mehr liegt GG rechts
Wieviel CO2 wird ausgetauscht?
Austausch von ~ 90 Gt C/Jahr
aber momentan etwa 2 Gt C mehr im Ozean
Austausch regional sehr unterschiedlich
wie reagiert atmosphärisches CO2 mit Wasser?
HENRY-GESETZ
„Die Konzentration eines Gases in einer Flüssigkeit ist proportional dem Partialdruck des Gases über der Flüssigkeit.“ cw = K × p
cw: Konzentration des Gases in Flüssigkeit
K: Löslichkeitskoeffizient (Temp.-abhängig)
p: Partialdruck des Gases über Flüssigkeit
Wovon ist CO2-Konzentration im Wasser abhängig?
cw von CO2 unterschiedlich bei verschiedenen T und p
- > abhängig von
- pH
- Temperatur: je niedriger T, desto mehr CO2 löst sich
- Partialdruck: je höher p, desto mehr CO2 löst sich
- > -/+ Senkenfunktion
Dissoziationsgleichgewicht
stellt sich ein bei gleichbleibender Temperatur und gleichbleibendem Partialdruck
CO2 _atm CO2_Wasser
es gibt aber noch weitere Prozesse, die das gelöste CO2 entziehen
-> zum Ausgleich diffundiert CO2 ins Wasser nach
Abhängigkeit vom pH-Wert
• der pH-Wert (Anzahl von H+-Ionen) wirkt auf Dissoziationsgleichgewicht
-> je höher die Anzahl der H+-Ionen (= niedriger pH), desto weniger CO2 wird umgesetzt
• zudem beeinflussen die Folgereaktionen der CO2-Aufnahme selbst (durch die Freisetzung von H+-Ionen) CO2 + H2O H2CO3
H2CO3 H^+ + HCO3^-
H^+ + HCO3^- 2 H^+ + CO3^2-
wie reagiert atmosphärisches CO2 mit Wasser?
TEMPERATUR
Je höher die Temperatur desto weniger diffundiert ins Wasser
-> hoher atmosphärischer CO2-Gehalt -> Erwärmung, damit wird in Relation weniger CO2 vom Ozean aufgenommen
wie reagiert atmosphärisches CO2 mit Wasser?
pH-WERT
Je niedriger der pH-Wert, desto weniger CO2 wird umgesetzt und umso weniger kann aus der Luft nachdiffundieren
-> trotz hohem atmosphärischern CO2-Gehalt kann ein „saurer“ Ozean weniger CO2 aufnehmen
Die physikalische C-Pumpe
bei Wasserabkühlung
- mehr CO2 ins Wasser
- Erhöhung des Gewichts
- Absinken des Wassers
bei Wassererwärmung
- Wasser steigt auf
- CO2-Abgabe an die Luft
Zyklus etwa 1000 Jahre
Erhöhung des CO2-Gehaltes in Atmosphäre schneller als Zyklus -> Senkenfunktion
Die biologische C-Pumpe
Phototrophe entziehen dem Wasser CO2
-> Umsetzung in Biomasse
Großteil wird in Nahrungskette wieder in CO2 umgesetzt, aber etwa 0,1 % sinken unverbraucht zum Meeresboden
-> Sedimentbildung
kleiner Anteil von C wird so vorerst dem Kreislauf entzogen -> Senkenfunktion
Die Kalkbildner als C-Pumpe
Manche Organismen bauen Kalkskelette auf vom gelösten Ca und Hydrogencarbonats
Ca^2+ + 2 HCO3^- –> CaCO3 + CO2 + H2O
Karbonat wird gebunden, CO2 geht im Wasser wieder in den Kreislauf über
Wie wirkt sich allgemein Brandrodung aus als anthropogener Einfluss?
Wald und Savannen verbrannt zur Gewinnung von Agrarflächen -> rapide Freisetzung von C in Atmosphäre
Abbrennen der Savannen wahrscheinlich 3x schlimmer als Abbrennen tropischer Regenwälder
Folgen der Energiegewinnung durch Verbrennung
• Abbau fossiler C-Speicherstätten (Erdöl,-gas und Kohle)
• Oxidation, Verbrennung:
vollständig: C + O2 –> CO2 + Energie
unvollständig: 2 C + O2 –> 2 CO + Energie
• Bei schlechter Sauerstoffversorgung entsteht zusätzlich Ruß
• zurzeit 80% der Weltprimärenergie aus fossilen Energieträgern
• Freisetzung von 8,6 Gt C/Jahr in die Atmosphäre
Wichtigkeit von CO2 im Meer
CO2…
• kontrolliert den pH-Wert der Ozeane
• kontrolliert die Bildung, Ablagerung bzw.
Auflösung von CaCO3 im Ozean
• absorbiert als Treibhausgas einen Teil der
vom Boden abgegebenen Wärmestrahlung
• ist DIE Ausgangssubstanz zum Aufbau von
organischer Substanz
Geochemiker Revelle und Suess
1957: Messen der CO2-Konzentration in Atmosphäre und Ozean
bis dahin: keine Akkumulation von CO2 in Atmosphäre
-> von Pflanzen und Ozeanen aufgenommen
-> ab da exponentielles Steigen der Werte
Wohin geht das “anthropogene” CO2
27 % jeweils Wald und Meere
45 % in Atmosphäre
Fazit I -
Versauerung der Meere
Erkenntnis:
Starke, anthropogen bedingte CO2-Emission!
• ca. 45 % des CO2 verbleibt in der Atmosphäre
• ca. 27 % werden von der Vegetation aufgenommen
• ca. 27 % des CO2 löst sich in den Ozeanen
• Dieser Prozess dauert an!
Resultat:
Versauerung der Meere, da [CO2] den pH-Wert senkt -> Pufferkapazität der Ozeane wird temporär überschritten
• Normaler pH-Wert der Ozeane: pH 8,0 - 8,3
• [CO2]-Absorption seit der industriellen Revolution
führte zur Senkung des pH-Wertes um bisher 0,1
Folgen für maritime Lebewesen
DIREKTE WIRKUNG
- Beeinträchtigung des Kalzifizierens
- Verhaltensänderungen
- Veränderungen des Metabolismus (erhöhter Energieverbrauch)
- Morphologische Veränderungen (geringere Größe & Gewicht)
- Rückgang der Reproduktionsrate
Folgen für maritime Lebewesen
INDIREKTE WIRKUNGEN
• auf gegenseitige Abhängigkeiten
• auf die gesamte Nahrungsnetze
• Verfügbarkeit von Toxinen (Metallionen)
-> Tierstämme unterschiedlich empfindlich
-> Veränderungen der Artenzusammensetzung (?)
-> Rückgang der Biodiversität (?)
Folgen für maritime Lebewesen
KALZIFIZIERENDE MEERESORGANISMEN
Problem:
• CaCO3 löst sich im Sauren
• Schalen (oder andere Strukturen) werden dünner bzw. lösen sich auf
• Besonders betroffen: Nachwuchs im Wachstum
Annahme:
• Verringerte CO3^2– und erhöhte H^+-Konzentration behindert das effiziente Kalzifizieren
Wie kommt CaCO3 in der Natur vor?
- Kalzit (trigonal)
- Aragonit (orthorhombisch)
- Magnesiumkalzit (polykristallin)
Was ist der Sättigungshorizont?
• tiefe, kalte Gewässer sind mit Kalzit bzw. Aragonit untersättigt – sauer genug, um CaCO3-Schalen aufzulösen
• flache, warme Oberflächengewässer sind übersättigt – basisch genug, um CaCO3-Schalen zu bilden
dazwischen liegt Sättigungshorizont
Worauf basiert der Stand der Forschung?
• viele Kurzzeit-Laborexperimente mit einzelnen Arten und (stark) erhöhter [CO2], zum Teil Mesokosmen-Versuche
• kaum Langzeit-Experimente
• Analysen von erdgeschichtlichen Funden (Fossilien)
• Beobachtungen von Organismen in natürlicher Umgebung
− in ‚normalen‘ (leicht basischen) Regionen
− in fast neutralen Regionen (Fjorde, natürliche CO2-Ausgasungen, Auftriebszonen)
CO2-Erhöhung im Wasser - Gewinner
Koralline Rotalge wird von nicht-kalzifierenden Algen verdrängt
Fazit II - Kalzifizierer
Kurzzeitexperimente
Erkenntnisse:
• Viele, jedoch nicht alle Arten: verringertes Kalzifizieren unter (stark) erhöhtem [CO2]
• Hinweise auf strukturierende Wirkung von erhöhtem [CO2]
Probleme:
• Eingesetzte [CO2]-Konzentrationen teilweise zu hoch
• Keine Zeit zur Akklimatisation bzw. Adaptation!
Fazit III - Kalzifizierer
Langzeitexperimente und Erdgeschichte
Erkenntnisse:
• Auch heute relativ große Schwankungen, z.B. des pH
• Spezifische Organismen können akklimatisieren!
• Korallenwachstum in der Vergangenheit stärker
• Aber: z.T. deutlich höherer [CO2]-Gehalt
• Keine klare Korrelation zwischen pH/[CO2] und Massenextinktionen in der Erdgeschichte
Probleme:
• Es fehlen weitere Langzeitexperimente
• Messung historischer pH-Werte fehlerbehaftet
Fazit IV - Kalzifizierer
Feldstudien
Erkenntnisse:
• Kalzifizierende Tiere stoßen an [CO2]-bedingte Habitatbegrenzungen:
- natürlicherweise bedingt
- anthropogen bedingt (Meeresversauerung)
• Nichtkalzifizierende Arten können profitieren
• Einzelne Arten haben Mechanismen zum Kalzifizieren unterhalb des Sättigungshorizontes entwickelt!
Mögliche Auswirkungen:
• Meeresversauerung bringt Verlierer und Gewinner
• Kalzifizierende Arten stehen unter dem vom Menschen geschaffenen Selektionsdruck, sich anzupassen
Vergleich Energieverbrauch im normalen und sauren Gewässer
Normale CO2-Verhältnisse:
- Energie gleichermaßen verteilt für Wachstum, Kalzifizierung und Reproduktion
im versauerten Ozean:
- Energie am meisten für Kalzifizierung benötigt
- weniger vorhanden für Wachstum und Reproduktion
Mögliche Wege der Anpassung
- Lichtintensität beeinflusst Trade-off von Kalzitbildung zu mehr Produktion an organischer Biomasse
- möglicherweise Überleben ohne Kalzifizieren
Welche Schlussfolgerungen lassen sich ziehen?
- Anthropogen bedingte CO2-Emission führt zu einer Versauerung der Meere (seit ~1800 um -0,1 pH)
- Dieser Prozess schreitet in dem Maße voran, wie die CO2-Emission fortgeführt wird (~2100 um -0,3 bis -0,4 pH)
- CaCO3-Sättigung im Meerwasser sinkt
Welche Auswirkungen lassen sich erkennen?
- [CO2]/pH-Wert schwankt auch natürlicher Weise: Birgt Gefahr (anthropogen bedingte Verstärkung) als auch Potenzial (für Akklimatisation/Adaptation)
- Manche Arten trotz(t)en verändertem [CO2]/pH
- Aber: Heutige Veränderungen rund 100x schneller!
- [CO2]/pH-Wert hat im Ökosystem strukturierende Wirkung
- Kalzifizierende Arten müssen sich schneller an sinkenden pH-Wert akklimatisieren bzw. adaptieren als die Versauerung der Meere voran schreitet -> Diversität wird zurückgehen
- Neue, andere Verknüpfungen/Nahrungsnetze werden wahrscheinlich nicht die Produktivität haben wie es zurzeit noch der Fall ist -> Auswirkungen auf Millionen von Menschen, die direkt von Ökosystemleistungen (insb. der Kalzifizierer) abhängig sind
Wie ensteht Erdöl?
- organische Überreste von Lebewesen werden am Meeresboden unter O2-Ausschluss als Faulschlamm abgelagert
- unter O2-Ausschluss, erhöhtem Druck und Temperatur wird das Material entwässert, flüchtige Bestandteile trennen sich ab [=Erdgas (65% C)], der C-Anteil nimmt zu, Entstehung von Erdöl (85-89% C)
- Ablagerung beider Stoffe in porösem Sedimentgestein des Meeresbodens (mit viel Druck in die Kavernen gepresst)
Beispiele für Schwarze und weiße Raucher
CO2^- als exklusive C-Quelle eines bizarren Ökosystems:
• Hydrothermale Quellen in der Tiefsee
• Schornsteinschlot mit austretender Sedimentwolke
• Mittelozeanische Tiefseerücken, oft in Clustern
• 20-25 m, 10-100 Jahre alt
Welche Lebensbedingungen herrschen für Organismen, die von black und white smokern leben?
- extremer Druck
- Dunkelheit
- hohe Temperatur
- extrem giftige Stoffe
- wenig Nahrung
Anpassungen von Organismen an die Lebensbedingungen bei schwarzen und weißen Rauchern
- Chemolithoautotrophie
- geringe Größe
- reduzierter Stoffwechsel
- langsame Bewegungen
- langsames Wachstum
- lange Lebensdauer
- lange Perioden ohne Nahrung
- Biolumineszenz
- direkte Ernährung von Mikroorganismen
- Symbiose
Fakten über Methan
- Methan quantitativ untergeordneter Bestandteil im globalen Kohlenstoffkreislauf, um eine bis mehrere Zehnerpotenzen unter den anderer Komponenten
- globale Methan-Konzentration: 1.8 ppm, (CO2: 385 ppm)
- ein Fünftel tragen Nutztiere (Rinder!) bei
- relative Methan-Zunahme sehr viel größer als die von CO2
- jährlich kommen rund 5 × 1011 g (C) zum globalem Pool von 4,8 × 1015 g hinzu
- jedes Methan-Molekül um den Faktor ~25 wirksamer beim Treibhauseffekt als CO2-Molekül (macht rund 20% aus)
- auch Pflanzen produzieren in einem Stoffwechselweg aerob Methan
- Methan entweicht beim Abtauen von Permafrostböden, zB Ostsibirische See
Kohlenstoffabbau und -umsetzung im Boden
• durch Kleinstlebewesen
• teilweise:
- in CO2 veratmet
C6H12O6 + O2 –> 6CO2 + 6H2O
- anaerobe CH4-Entstehung
C6H12O6 –> 3CO2 + 3CH4 - als Humus im Boden verbleibend (Speichern von rund 1500 Gt C)
Wodurch entsteht Organische Bodensubstanz?
- Anthropogen eingebrachte organische Abfälle, Pestizide
- Kot, abgestorbene Tiere und Pflanzen
- Auflagehumus durch schwer zersetzbare Vegetationsrückstäde
- Sauerstoff, Wasser
Wie geht es weiter mit der Organischen Bodensubstanz?
• Humifizierung:
Bildung von Huminstoffen (Fulvo- und Huminsäuren sowie Huminen)
• Mineralisierung:
Bildung von Wasser, CO2, Ammoniak, Phosphat, Kalium und weiteren Nährstoffen (Mg, Fe, N, S, …)
Was ist Humifizierung?
Synthese stabiler Humussubstanzen (Huminstoffe) im Boden unter Mitwirkung der Bodenorganismen im Laufe des Zersetzungsprozesses pflanzlicher Reste (Streu)
• Aufbau von Humusstoffen erst, wenn durch mikrobiellen Abbau reaktionsfähige Spaltprodukte vorliegen
• wichtige Ausgangsprodukte: Zellulose und Lignin
• Huminstoffe v.a. im Oberboden angereichert
• hohe Bedeutung für Bodenfruchtbarkeit, Durchlüftung und Wasserhaushalt
Wie werden Huminstoffe unterteilt?
Huminstoffe werden konventionell in Fulvosäuren, Huminsäuren und Humine unterteilt (je nachdem ob löslich in Laugen und/oder Basen)
• Fulvosäuren: überwiegend gelöst, starke Komplexbildner, wirken versauernd, hohe Kationenaustauschkapazität
• Huminsäuren: schwache Säuren, amorph, stellen meist den größten Teil der HS dar
• Humine: alte HS, bilden mit Tonmineralien oft kaum zersetzbare „organomineralische“ Verbindungen
Eigenschaften von Huminstoffen
- bestehen vor allem aus Aromaten, Struktur sehr variabel und sehr komplex
- typisches Bauprinzip aus Kernen, Brücken und funktionellen Gruppen
- in den HS-Molekülen ist H2O eingelagert
Aufbau von Huminstoffen
Kerne:
• Benzol, Indol, Pyrrol, Naphthalin, Pyridin, Chinolin oder Furan
Brücken:
• O2, N, C, einfache Kohlenwasserstoffe
funktionelle Gruppen:
• bestimmen wesentlich die Eigenschaften der HS
• besitzen polare Atombindungen
• wirken als Säure bzw. Base, Ionenaustauscher, spezifische Adsorption für Nähr- und Schadstoffe und auch direkte biologische Effekte
• Carboxylgruppe, Hydroxylgruppe, Aminogruppe, Carbonylgruppe
Huminstoffe als Puffersystem in Binnengewässern
- Schutz-Schild gegen UV-Strahlen und Strahlenschäden
* bestimmen Geochemie von Weichwassergebieten
natürliche Versauerung durch Vegetationsentwicklung
• Pflanzen beziehen Anhydrid der Kohlensäure CO2 aus Luft
-> Pflanzen nehmen mehr (basische) Kationen als Anionen aus Boden auf
• Zum Ladungsausgleich: geben kleine organische Säuren in den Boden ab, die an Katalysatoren zu Huminstoffen kondensieren
Was passierte mit den Huminstoffen während einer starken depositionsbedingten Versauerung mit SO2 (trocken) und H2SO4 (nass)?
- Huminstoffe sind schwache Säuren
- Starke Säuren drängen schwache aus ihren Salzen, und zwar dadurch, dass die schwachen Säuren protoniert werden
- Protonierung von schwachen Säuren bedeutet, dass sie weniger wasserlöslich werden = saurer Niederschlag immobilisiert die organischen Säuren (Huminstoffe) im Boden
Beispiel der Versauerung anhand des Großen Arbersees
- Titration von Landschaften mit starken Säuren (SO2, Schwefel- und Salpetersäure) führt zu einer Immobilisierung der schwachen Säuren im gesamten Gewässereinzugsgebiet (im Waldboden, in Mooren) -> Ausfällung in der Wassersäule von Seen
- Folge: Gewässerversauerung verbunden mit einer Abnahme des organischen Kohlenstoffgehaltes im Gewässer
- -> Gewässer wurden ‚klarer‘
Warum hat sich der große Arbersee heute umgekehrt?
- Deposition von starken Säuren nahm in den gesamten Gewässereinzugsgebieten ab -> organische Kohlenstoffgehalt im Gewässer nimmt wieder zu
- Kalkung von Wäldern beschleunigt Prozess durch teilweise Erhöhung der Löslichkeit und der Stimulierung von mikrobiellen Prozessen
Welche Fragen bleiben offen zum globalen Kohlenstoffkreislauf?
- Der Versuch, die Quellen und Senken von CO2 in der Atmosphäre zu bilanzieren, zeigt ein Ungleichgewicht für den globalen Kohlenstoffkreislauf
- unser gegenwärtiges Wissen über den Kohlenstoffkreislauf ist unvollständig
- die Bilanz des globalen Kohlenstoffkreislaufes geht um mindestens 109 t/a nicht auf – Senken sind wahrscheinlich Wälder der nördlichen Hemisphäre!
- ein Teil dieses Kohlenstoffs wird mit Sicherheit von der verbleibenden Landvegetation zusätzlich aufgenommen, stimuliert durch die höhere CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre
