природа

Субекти

  • Наука за климата
  • Геохимия
  • Микробиология

Тази статия е актуализирана

Мета-анализ на емисиите на метан на ниво екосистема разкрива проста експоненциална зависимост от температурата, въпреки сложното разнообразие от фактори, които контролират този процес. Вижте менюто стр.488

Метанът е третият най-голям принос за парниковия ефект, след водните пари и въглеродния диоксид. Концентрацията на метан в атмосферата се увеличава през по-голямата част от 20-ти век, остава стабилна между 1999 и 2006 г. и сега отново се увеличава със скорост от 0,4% годишно 1. Причината за това възобновяване не е напълно изяснена, но вероятно е свързана с увеличаване на емисиите на метан от влажните зони: почти половината от глобалните емисии на метан идват от влажни зони и оризови насаждения, които се очаква да бъдат обект на обратна връзка, свързана с температурата и другия глобален климат промяна. Въпреки че сложен набор от фактори влияе върху емисиите на метан на ниво екосистема, Yvon-Durocher et al. 2 доклад в статия, публикувана днес на страница 488, че средната реакция на емисиите на метан към температурата в различни екосистеми е добре описана чрез проста математическа връзка. Може ли да е толкова просто?

Повечето естествени емисии на метан произхождат от микроорганизми, наречени метаногени, чиито метаболитни скорости, по време на растежа в културата с неограничен субстрат, се променят с температурата според уравнението на Арениус, проста експоненциална зависимост на постоянната скорост в реципрочната на абсолютната температура. Подобно поведение не е изненадващо: въпреки че метаногенезата включва мрежа от катализирани от ензими реакции, зависимостта на Арениус отразява ограничаваща скоростта кинетика в един етап. Но докладът на Yvon-Durocher и неговите колеги за една и съща температурна зависимост на ниво екосистема е забележителен, тъй като редица физични, химични и екологични фактори контролират производството на метан и изпускането му в атмосферата 3 .

Метаногенезата в почвите и утайките в крайна сметка се подхранва от сложни органични вещества; какъв дял от тази органична материя се превръща в метан и с каква скорост зависи както от динамиката на екосистемата, така и от ензимната кинетика на метаногените (фиг. 1). Например, органичният въглерод може да се превърне във въглероден диоксид, а не в метан, когато са налични окислители като кислород, нитрат, желязо (III) и сулфат, за да се хранят микробните конкуренти на метаногените. И когато органичната материя се превръща в метан, тя първо трябва да бъде разградена от други микроби до малкото прости субстрати, които метаногените могат да метаболизират, доставката нагоре по веригата, която може да ограничи скоростта на метаногенезата.

Метанът (CH 4) се генерира от микроорганизми (метаногени), които метаболизират субстратите, получени чрез разлагането на сложни органични вещества от извънклетъчни ензими и ферментативни микроорганизми. Скоростта на излъчване на метан в атмосферата се влияе от индивидуалната чувствителност на тези микроорганизми към температура (обозначена с Е а) и от химичните условия, като наличието на кислород, които отклоняват потока на въглерод към микробни конкуренти, които те окисляват органично вещество до въглерод. диоксид. Емисията на метан зависи също от транспорта на газ чрез дифузия, от кипене на балончета и в кръвоносните съдове на растенията, както и от фракцията на метана, консумирана от метаноокислителните микроорганизми. Въпреки този сложен набор от фактори, Yvon-Durocher et al. 2 докладват, че реакцията на емисиите на метан на ниво екосистема може да бъде описана чрез простата връзка на Арениус.

Изображение в пълен размер

Транспортът на метан от производствената площадка до атмосферата също е обект на ефекти, които могат да скрият чисто биохимичната температурна зависимост. Метанът се консумира в аеробни и анаеробни микробни процеси, а транспортирането през зони, където се случва такова потребление, може значително да намали нетните емисии. Но консумацията може до голяма степен да се избегне, когато физическите и метаболитните фактори се комбинират, за да стимулират кипенето - образуването и отделянето на метанови мехурчета, което е много често в продуктивните сладководни езера и блата. Съдовата система на растенията може също да улесни транспорта на метан, когато корените проникват в метанообразуващите части на почвата и осигуряват директен канал към атмосферата; но същите тези канали носят и кислород, който инхибира метаногенезата и насърчава консумацията на метан.

В своя анализ на 127 проучвания за зависимостта на емисиите на метан от нивото на екосистемата от температурата, Yvon-Durocher et al. разпознава тази сложна поредица от фактори, но заключава, че общата температурна реакция въпреки това е описана от уравнението на Арениус, с очевидна енергия на активиране (E a) от 0,96 електрон волта, подобно на 1,10 eV, наблюдавано в чисти метаногенни култури. Е а е мярка за чувствителност към температура; например 0, 96 и 1, 10 eV съответстват съответно на 3, 5 и 4, 2 пъти увеличение на константата на скоростта за повишаване на температурата от 20 ° C до 30 ° C.

Статистически погледнато, големият брой разгледани изследвания позволява уверено твърдение, че изчислената средна стойност E a (0, 96 eV) точно отразява средната чувствителност към температурата на излъчващите метан екосистеми, като се приеме, че местата, съдържащи данните на ансамбъла, представляват произволна извадка от всички тези среди. Но въздействието на фактори, различни от температурата, изглежда очевидно в дисперсията и дифузията на отделните набори от данни, разгледани от авторите. Например, приблизително 40% от разглежданите проучвания са имали коефициенти на корелация по график на Арениус (r 2) по-малко от 0,5, което показва, че по-малко от половината от дисперсията в тези данни за емисиите се обяснява с връзката на Арениус и около 10% от изследванията измерват емисиите на метан, които са по-високи при по-ниски температури (противоположно на ефекта, предвиден от уравнението на Арениус).

Отчетеното ниво на екосистема E a е по-високо от това, което се нарича „универсална температурна зависимост“ на аеробния метаболизъм 4 - a E a от 0,67 ± 0,15 eV, обхващащ метаболизма на широк спектър от растения, протозои, безгръбначни и гръбначни животни. и също така е по-високо от средното E a (0.72 eV), наблюдавано за разнообразна група от 50 аеробни и анаеробни микроорганизми 5. По-високият среден E, отчетен тук за метаногенни екосистеми, може да отразява, че биохимията на метаногените (които имат средно E 1,10 eV) директно ограничава емисиите на метан в някои екосистеми или че организмите, които доставят субстрати на метаногени, имат подобна висока температура. зависимост. Ясното значение на тези констатации обаче е, че производството на метан ще нараства по-рязко с температурата, отколкото би било уловено от моделите на изменението на климата, които предполагат, че емисиите на метан се управляват от по-типични (по-ниски) стойности на E a. Например, в диапазона на прогнозираното глобално затопляне 6 за този век (1.0–3.7 ° C), E a от 0.96 eV предполага увеличение на емисиите на метан с 14–63% в сравнение с 10–40% за E a от 0.67 eV.

Констатациите на Ивон-Дюрохер и нейните колеги ограничават и може би опростяват една част от много по-голям пъзел с изменението на климата. Обратната връзка с емисиите на метан в отговор на глобалното изменение на климата в крайна сметка ще произтича от комбинация от разглежданите тук преки температурни ефекти и непреки ефекти, като размразяване на вечната замръзналост (и произтичащата от това наличност на нови органични вещества), промени в растителността и в голям мащаб . наводняване или изсушаване на почви и влажни зони. Освен това пропорционалният принос на метана за глобалното затопляне (около 20% през миналия век) може действително да намалее, тъй като въглеродният диоксид заема все по-важна роля в бъдещето 7. Но в този сложен проблем, за разлика от потока на метан в атмосферата, всичко помага.

Променете историята

Коментари

Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки. Ако откриете нещо злоупотребяващо или което не отговаря на нашите условия или насоки, моля, маркирайте го като неподходящо.