мінімалізм

Предмети

  • Кліматична наука
  • Геохімія
  • Мікробіологія

Ця стаття оновлена

Мета-аналіз викидів метану на рівні екосистеми виявляє просту експоненціальну залежність від температури, незважаючи на складну різноманітність факторів, які контролюють цей процес. Див. Меню с.488

Метан є третім за величиною фактором, що сприяє парниковому ефекту, після водяної пари та вуглекислого газу. Атмосферна концентрація метану зростала протягом більшої частини 20 століття, була стабільною між 1999 і 2006 роками і зараз знову зростає зі швидкістю 0,4% на рік 1. Причина цього відновлення до кінця не з’ясована, але, ймовірно, пов’язана зі збільшенням викидів метану з водно-болотних угідь: майже половина глобальних викидів метану надходить із заболочених територій та рисових полів, які, як очікується, піддаватимуться зворотним зв’язкам, пов’язаним з температурою та іншим глобальним кліматом змінити. Хоча складний набір факторів впливає на викиди метану на рівні екосистеми, Yvon-Durocher et al. 2 повідомляється в статті, опублікованій сьогодні на сторінці 488, що середня реакція викидів метану на температуру в різних екосистемах добре описується простим математичним співвідношенням. Чи може це бути так просто?

Більшість природних викидів метану походять від мікроорганізмів, званих метаногенами, швидкість метаболізму яких під час росту в культурі з необмеженим субстратом змінюється в залежності від температури відповідно до рівняння Арреніуса - простої експоненціальної залежності постійної швидкості від зворотної абсолютної температури. Така поведінка не дивно: хоча метаногенез включає мережу каталізованих ферментами реакцій, залежність Арреніуса відображає обмежувальну швидкість одноетапної кінетики. Але звіт Івон-Дюрохера та його колег про одну і ту ж температурну залежність на рівні екосистеми є приголомшливим, оскільки низка фізичних, хімічних та екологічних факторів контролює вироблення метану та його викид в атмосферу 3 .

Метаногенез у ґрунтах та відкладах в кінцевому підсумку підживлюється складною органічною речовиною; яка частка цієї органічної речовини перетворюється на метан і з якою швидкістю, залежить як від динаміки екосистеми, так і від ферментативної кінетики метаногенів (рис. 1). Наприклад, органічний вуглець може бути перетворений на вуглекислий газ, а не на метан, коли такі окислювачі, як кисень, нітрати, залізо (III) та сульфат, доступні для харчування мікробних конкурентів метаногенів. І коли органічна речовина перетворюється на метан, її спочатку слід розщепити іншими мікробами на кілька простих субстратів, які метаногени можуть метаболізувати, що надходить за течією, що може обмежити швидкість метаногенезу.

Метан (СН 4) утворюється мікроорганізмами (метаногенами), які метаболізують субстрати, що утворюються в результаті розкладання складної органічної речовини позаклітинними ферментами та ферментативними мікроорганізмами. На швидкість викиду метану в атмосферу впливають індивідуальна чутливість цих мікроорганізмів до температури (позначена Е а), а також хімічні умови, такі як наявність кисню, які перенаправляють потік вуглецю на мікробних конкурентів, які вони окислюють органічна речовина до вуглецю. діоксид. Викиди метану також залежать від транспортування газу шляхом дифузії, від кипіння бульбашок і в судинному середовищі рослин, а також від частки метану, споживаної метаноксидними мікроорганізмами. Незважаючи на цей складний набір факторів, Івон-Дюрочер та ін. 2 повідомляють, що реакція викидів метану на рівні екосистеми може бути описана простими відносинами Арреніуса.

Повнорозмірне зображення

Транспортування метану з виробничого майданчика в атмосферу також піддається ефектам, які можуть закрити чисто біохімічну температурну залежність. Метан споживається в аеробних та анаеробних мікробних процесах, а транспорт через райони, де відбувається таке споживання, може значно зменшити чисті викиди. Але споживання можна в значній мірі уникнути, коли фізичні та метаболічні фактори поєднуються для сприяння кипінню - утворенню та виділенню бульбашок метану, що дуже часто зустрічається в продуктивних прісноводних озерах та болотах. Судинна система рослин може також сприяти транспортуванню метану, коли коріння проникають в метанопродукуючі частини грунту і забезпечують прямий провід в атмосферу; але ці самі трубопроводи також несуть кисень, який інгібує метаногенез і сприяє споживанню метану.

У своєму аналізі 127 досліджень щодо залежності викидів метану на рівні екосистеми від температури, Yvon-Durocher et al. визнає цю складну серію факторів, але робить висновок, що сукупна температурна реакція, тим не менш, описується рівнянням Арреніуса, з очевидною енергією активації (E a) 0,96 електрон-вольт, подібною до 1,10 еВ, що спостерігається в культурах чистого метаногену. Е а - міра чутливості до температури; наприклад, 0, 96 та 1, 10 еВ відповідають відповідно збільшенню константи швидкості в 3, 5 та 4, 2 рази при підвищенні температури від 20 ° C до 30 ° C.

Статистично кажучи, велика кількість розглянутих досліджень дозволяє впевнено стверджувати, що розраховане середнє значення E a (0, 96 еВ) точно відображає середню температурну чутливість екосистем, що випромінюють метан, припускаючи, що ділянки, що містять ансамбль даних, представляють випадкову вибірку усіх цих середовищ. Але вплив інших факторів, окрім температури, очевидно в дисперсії та дифузії окремих наборів даних, розглянутих авторами. Наприклад, приблизно 40% розглянутих досліджень мали коефіцієнти кореляції за графіком Арреніуса (r 2) менше 0,5, що вказує на те, що менше половини дисперсії цих даних про викиди пояснюється взаємозв’язком Арреніуса, а близько 10% дослідження вимірювали викиди метану, які були вищими при нижчих температурах (протилежний ефекту, передбаченому рівнянням Арреніуса).

Повідомлений рівень екосистеми E a є вищим за те, що називали "універсальною температурною залежністю" аеробного метаболізму 4 - E a 0,67 ± 0,15 еВ, що охоплює метаболізм широкого кола рослин, найпростіших, безхребетних та хребетних. і це також вище середнього E a (0,72 еВ), що спостерігається для різноманітної групи з 50 аеробних та анаеробних мікроорганізмів 5. Вище середнє значення E для метаногенних екосистем може відображати, що біохімія метаногенів (які мають середнє значення E 1,10 еВ) безпосередньо обмежує викиди метану в деяких екосистемах або що організми, що постачають метаногени субстратами, мають таку ж високу температуру. залежність. Однак явним наслідком цих висновків є те, що виробництво метану з температурою зростатиме більш різко, ніж це буде зафіксовано моделями кліматичних змін, які передбачають, що викиди метану регулюються більш типовими (нижчими) значеннями Е а. Наприклад, у діапазоні прогнозованого глобального потепління 6 для цього століття (1,0–3,7 ° C) E a 0,96 еВ передбачає збільшення викидів метану на 14–63% порівняно з 10–40% для E a 0,67 еВ.

Висновки Івон-Дюрочер та її колег обмежують і, можливо, спрощують одну частину набагато більшої загадки про зміну клімату. Відгуки про викиди метану у відповідь на глобальні зміни клімату в кінцевому підсумку будуть зумовлені поєднанням розглянутих тут прямих температурних впливів та непрямих наслідків, таких як відтавання вічної мерзлоти (і, як наслідок, наявність нових органічних речовин), зміни рослинності та у великих масштабах . підтоплення або пересихання ґрунтів та заболочених земель. Крім того, пропорційний внесок метану у глобальне потепління (близько 20% за минуле століття) може насправді зменшитися, оскільки вуглекислий газ відіграє все більш помітну роль у майбутньому 7. Але в цій складній проблемі, на відміну від потоку метану в атмосферу, все допомагає.

Змініть історію

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватись наших Умов та правил спільноти. Якщо ви виявите щось образливе або не відповідає нашим умовам чи інструкціям, позначте це як неприйнятне.