Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3998
Folkers, Achim
Sauerstoffhaltige flüchtige organische Verbindungen in der Troposphäre: Entwicklung und Anwendung einer gaschromatographischen Nachweismethode
X, 151 S., 2002
Flüchtige organische Verbindungen (VOC) beeinflussen die Radikalbilanz und die
photochemische Ozonproduktion in der Troposphäre. Sie spielen daher eine bedeutende Rolle
in der Atmosphärenchemie. Die Quellstärke biogener VOC ist um etwa eine
Größenordnung höher als die Quellstärke anthropogener VOC. Mehr als 30% der biogenen
Emissionen werden als kurzkettige sauerstoffilaltige flüchtige organische Verbindungen (SOVOC,
CnHxOy mit n < 7) emittiert. Über die atmosphärischen Konzentrationen und die
Emissionsraten dieser Verbindungen aus Pflanzen ist bisher nur wenig bekannt, da die zur
Quantifizierung der Konzentrationen benötigte Meßtechnik nicht weit verbreitet ist.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine analytische Methode entwickelt, mit der die
Konzentrationen von SOVOC in atmosphärischen Proben quantifiziert werden können. Die
Reproduzierbarkeit der Methode ist besser als 5% und die Nachweisgrenzen liegen im
Bereich weniger ppt. Zur Kalibration wurde eine Kalibrationseinheit aufgebaut, die es
ermöglicht, feuchte, gasförmige SOVOC-Standards mit Mischungsverhältnissen von
einigen wenigen ppb zu erzeugen.
In einer Feldkampagne auf dem Kleinen Feldberg im Taunus wurden die atmosphärischen
Konzentrationen von SOVOC quantifiziert. Die SOVOC-Mischungsverhältnisse variierten
zwischen wenigen ppt und mehreren zehn ppb. Mit einer Cluster-Analyse konnte gezeigt
werden, daß sich für die SOVOC keine eindeutige Quelle - anthropogen bzw. biogen -
identifizieren läßt.
In Experimenten an den Pflanzen Expositionskammern wurden die Mechanismen der
Emissionen von SOVOC aus Pflanzen untersucht. Durch die Exposition einer Birke mit
13CO2 konnte gezeigt werden, daß Aceton, Methanol und Ethanol synthetisiert und
emittiert werden. Die Emissionsraten von SOVOC aus der untersuchten Birke sind nicht
ausschließlich von der Temperatur und der Lichtintensität abhängig. Sie sind daher mit zur
Zeit zur Verfügung stehenden Algorithmen nicht zu beschreiben.
In Experimenten an der Modellpflanze Sonnenblume wurde phänomenologisch untersucht,
welchen EinfluB Stressoren auf die Emissionsraten von SOVOC haben. Während der
Überflutung der Wurzeln wurde eine Erhöhung der Emissionsrate von Ethanol um einen Faktor
200 beobachtet. Bei anoxischen Bedingungen im Wurzelbereich erfolgt die
Energieversorgung in den Wurzeln durch Fermentation. Dies führt zu erhöhter Produktion und Emission
von Ethanol und Acetaldehyd. Die Emissionsraten anderer SOVOC und VOC erhöhten
sich kaum. Auf eine stark saure Nährlösung reagierte die untersuchte Sonnenblume
ähnlich wie auf Trockenstreß. So wurden Emissionen von Produkten der Reaktionsfolge der
Lipoxygenase (LOX) induziert. Die Emissionsraten von Methanol erhöhten sich um einen
Faktor vier, die der Monoterpene um einen Faktor drei. Die Aktivierung der Lipoxygenase
ist eine unspezifische Reaktion der Pflanze auf Streß. Auch Erhöhungen der Monoterpen-
Emissionen aus Pflanzen sind als Folge der Aktivierung der LOX bekannt. Die Induktion
der erhöhten Methanol-Emissionsraten ist wahrscheinlich nicht auf die Aktivierung der
LOX zurückzuführen.
In einem Experiment mit Weizen konnte gezeigt werden, daB die Emission von Produkten
der Reaktionsfolge der LOX mit der Aktivität des Enzyms Lipoxygenase korreliert.
Volatile organic compounds (VOC) have a significant impact on photochemical processes
that lead to the formation of ozone and other photooxidants in the planetary boundary
layer. VOC are emitted in large quantities from the vegetation. The source strength of
biogenic VOC dominates over those from anthropogenic sources by one order of
magnitude. More than 30% are emitted as short chained oxygenated volatile organic compounds
(SOVOC). There is a large uncertainty about the exact amount of SOVOC emissions and
atmospheric SOVOC concentrations. This is due to the fact that analytical
instrumentation for SOVOC quantification is not readily available.
To quantify atmospheric SOVOC concentrations, a new analytical method was developed.
The reproducibility is better than 5% and the limit of detection is lower than a few ppt.
A diffusion chamber permits to produce a humid gas standard with mixing ratios of the
SOVOC in the range of a few ppb and less.
Atmospheric concentrations of SOVOC were determined during a field campaign on the
Kleiner Feldberg (Taunus, Germany). The atmospheric mixing ratios of SOVOC varied
from several ppt to a few ten ppb. It was attempted to assign the sources of the SOVOC
with a cluster analysis.
In experiments in a plant chamber the mechanism of SOVOC emissions was investigated.
By isotopic measurements (13CO2) it was confirmed that acetone, methanol, and
ethanol are synthesized and emitted from a birch. Emissions are not only dependent on light
intensity and temperature, but also on stress factors (stressors). SOVOC emissions can
therefore not be described by known algorithms.
The influence of two stressors on the SOVOC emission rates of sunflower were studied.
Emission rates of ethanol increased by a factor of 200 when the roots were flooded. For
the other SOVOC and VOC only small changes in the emission rates were observed. The
increase in ethanol emission rates are due to anaerobic conditions in the roots which
stimulate fermentative production and emission of ethanol.
The response of sunflower exposed to acidic nutrient solution resembles the response of
sunflower to water deficit. This stressor induces emissions following lipoxygenase (LOX)
activity. This leads to increased methanol, and monoterpene emission rates by a factor of
4, and 3, respectively.
The emission resulting from LOX activity is a general response of plants to stress. The
increase of monoterpene emission rates resulting from LOX activity is known in the
literature. Increased emissions of methanol are probably not coupled to LOX activity.
The amount of SOVOC that are emitted from wheat after induction of LOX activity is
highly correlated with the activity of the lipoxygenase enzyme.
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