УГЛЕРОД НА СУШЕ

61
Лекция 5. Lect_05_Carbon_IV Цикл углерода (окончание). Зависимость фотосинтеза от содержания СО 2 . Соотношение чистой первичной продукции и дыхания в тропическом лесу. Метан. Архебактерии- метаногены и условия их функционирования. Реакции образования метана. История «закрытого открытия» («выделение метана растениями»). Удаление метана из атмосферы. Роль гидроксильного радикала. Метанотрофы. Глобальное потепление и эмиссия СО 2 . «Трагедия общего». Подтверждение прогноза. Повышение уровня Мирового океана

Upload: santa

Post on 28-Jan-2016

49 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

- PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Лекция 5. Lect_05_Carbon_IVЦикл углерода (окончание). Зависимость фотосинтеза от содержания СО2. Соотношение чистой первичной продукции и дыхания в тропическом лесу. Метан. Архебактерии-метаногены и условия их функционирования. Реакции образования метана. История «закрытого открытия» («выделение метана растениями»). Удаление метана из атмосферы. Роль гидроксильного радикала. Метанотрофы. Глобальное потепление и эмиссия СО2. «Трагедия общего». Подтверждение прогноза. Повышение уровня Мирового океана

Page 2: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

УГЛЕРОД НА

СУШЕ

Page 3: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Эксперименты в теплицах и замкнутых камерах: при увеличении содержания в воздухе CO2 интенсивность фотосинтеза (а соответственно, скорость прироста и урожай) растет сначала почти линейно, а затем выходит на плато при значении концентрации около 800–1000 ppm

Особенно выражен ответ у так называемых С3 -растений (пшеница, рис, соя и многие другие). У С4 –растений, произрастающих в более жарком и сухом климате, (сельскохозяйственные культуры - кукуруза и сорго), есть механизм концентрирования CO2 внутри листьев — соответственно, изменения CO2 в окружающей среде на них влияют слабее и только опосредованно.

Page 4: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Но изоляция растений в теплицах и камерах сама по себе создает сильный побочный эффект (прежде всего из-за изменения температуры и влажности), который маскирует непосредственное воздействие концентрации CO2

Page 5: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

FACE - «free-air concentration enrichment» Заданное значение (550 ppm) поддерживали с точностью до 10% в течение всего времени вегетации зерновых культур — от посева до получения урожая.

Long S.P., et al. Science. 2006. V. 312. P. 1918–1921

Page 6: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Увеличение урожая зерновых культур при увеличении концентрации CO2 в воздухе по отношению к росту при обычной концентрации. A — С3-растения: соя (красный цвет) и пшеница (синий); B — С4-растения (сорго и кукуруза – комбинированные данные - зелёный). Круглые точки и сплошная линия —

результаты экспериментов в ограниченным объемах. Квадратиками показаны значения, полученные в открытом пространстве по методу FACE. Видно,

сколь завышены данные, полученные в теплицах и камерах. Long S.P., et al. Science. 2006. V. 312. P. 1918–1921

Page 7: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

ЧИСТАЯ ПЕРВИЧНАЯ ПРОДУКЦИЯ (Net Primary Production, NPP) –

реальный прирост массы (фиксация углерода CO2).

Равна валовой продукции минус траты на дыхание самого

продуцента (R)

NPP = GP - R

Page 8: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Дыхание всей экосистемы

Rtot складывается из

дыхания растений (как надземных, так и подземных частей), грибов, бактерий и

животных

Page 9: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Соответственно возможны варианты:

NPP = Rtot

NPP > Rtot

NPP< Rtot

Page 10: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

NATURE |VOL 396 | 17 DECEMBER 1998 |www.nature.com

Page 11: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

LBA Data from Tapajos Forest Km67 Eddy Flux Tower Research Site http://beija-flor.ornl.gov/lba

Eddy covariance method

Page 12: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Tian H., et al. Effect of interannual climate variability on carbon storage in Amazonian ecosystems // Nature, 1998, Vol. 396, pp. 664-667

Расчет суммарной для бассейна Амазонки чистой первичной продукции наземных экосистем и их

дыхания в период с 1980 по 1994 г.Results:

в более жаркие и сухие годы (Эль-Ниньо) экосистемы работают как источники атмосферного СО2, выделяя до 0.2 Pg (×1015g) углерода (в 1987 и 1997 гг.)в годы более влажные - как его "сток", связывая до 0.7 Pg (×1015g) углерода (в 1981 и 1993 гг.)

Page 13: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

NATURE|VOL 396 | 17 DECEMBER 1998 |www.nature.com

Page 14: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

a, Relations of annual net primary production (NPP, thick line, circles) and annual heterotrophic respiration (RH, thin line, triangles) to annual mean temperature in the combined simulation of transient climate and transient atmospheric CO2.

b, Relations of annual net primary production (NPP) and annual heterotrophic respiration (RH) to annual precipitation in the combined simulation of transient climate and transient atmospheric CO2. Annual NPP is negatively correlated with annual mean temperature, and positively correlated with annual precipitation. Annual RH is positively correlated with temperature, but not significantly correlated with precipitation.

Page 15: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Tian H., et al. Effect of interannual climate variability on carbon storage in Amazonian ecosystems // Nature, 1998, Vol. 396, pp. 664-667

Суммарный результат для всего 15-ти летнего периода - это накопление

углерода (около 3.3 Pg (×1015g) C

В среднем за год - 0,2 Pg (×1015g) С в год. Скорее всего это следствие увеличения концентрации СО2 в атмосфере за период обследования

Page 16: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

МЕТАНCH4

Page 17: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ
Page 18: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ
Page 19: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Изменения содержания метана в пузырьках воздуха со станций «Восток» (верхняя коричневая линия) и на куполе C (красная, далее черная линия) за 800 тысяч лет. Нижний график – содержания дейтерия во льду с купола С.

Loulerlegue et al., 2008. Nature.

V. 453. P. 383-386

Page 20: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Метаногены (метанобразующие)

все они представители домена архебактерий (архей)

Page 21: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Все они – строгие анаэробы

Все получают необходимую энергию в результате

окислительно-востановительных реакций,

побочным продуктом которых является метан

Page 22: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Метаногенез – это своего рода «дыхание» микробов, но

конечный акцептор электронов – не кислород, а углерод.

Метаногенез идет во многих местах, где сохраняются

анаэробные условия, где есть «легкая органика» и СО2

Page 23: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Метаногены - автотрофыв качестве источника углерода используют СО2

Окислителем (конечным акцептером электронов) является СО2

Донором электронов может быть водород, формиат, ацетат или метилотрофные соединения

Page 24: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Примеры возможных реакций образования метана:

с водородом:

3H2 + CO2 → CH4 + H2Oс муравьиной кислотой:

4HCOOH → CH4 + 3CO2 +2 H2Oс оксидом углерода:

4CO + 2H2O → CH4 + ЗCO2с ацетатом:

CH3COO- + H+ → CH4 + CO2с метанолом:

4CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O

Page 25: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Межвидовой перенос водородаВ 1936 г. описана бактерия «Methanobacterium

omelianskii» (предполагалось, что образует метан непосредственно из этанола)

В 1970-е годы обнаружено, что Methanobacterium omelianskii - это два разных

организма:Первый - близкий к Clostridium kluyveri - разлагает

этанол с образованием ацетата и свободного водорода

Второй – (штамм «М.о.Н»), настоящий метаноген, использует водород, превращая его в метан

РЕАКЦИЯ ИДЕТ ТОЛЬКО ПРИ ГЛУБОКОМ УДАЛЕНИИ Н2 ИЗ ОБЛАСТИ РЕАКЦИИ

Page 26: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Источники поступления метана

Наиболее вероятная

оценка в 106 т/год

Разброс разных оценок

в 106 т/год

Болота и прочие увлажненные территории

145 92-237

Рисовые поля 60 40-100

Жвачные животные 93 80-115

Термиты 20 20-20

Сжигание биомассы (лесов в первую очередь)

52 23-55

Производство энергии человеком 95 75-110

Свалки 50 35-73

Океан 10 10-15

Гидраты (в море и на суше) 5 5-10

Суммарное выделение по всем источникам

530 500-600

(по: Lowe D.C. 2006. Nature. V. 439. P. 148-149)

Page 27: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

В среднем одна корова производит 250 л метана в сутки

http://pelukpohon.blogspot.com/2010/05/from-waste-to-food-and-clean.html

Page 28: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Основной путь удаления метана в атмосфере –

окисление гидроксильным радикалом OH·

Page 29: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Образуется гидроксильный радикал в ходе фотохимических реакций из

озона и паров воды

В свободном состоянии «живёт» в атмосфере очень недолго

– около 1 сек

Концентрация очень низка – около 105 молекул в 1см3

Page 30: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Процессы и места «стока» метана

Наиболее вероятная

оценкав 106 т/год

Разброс разных оценок

в 106 т/год

Окисление в тропосфере 507 450-510

Потери в стратосфере 40 40-46

Связывание в почве 30 10-44

Суммарный «сток» 577 460-580

(по: Lowe D.C. 2006. Nature. V. 439. P. 148-149)

Разность «источники» -«стоки»

- 47 От - 80 до + 140

Page 31: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Колебания метана по меридиональному разрезу с 1996 по 2005 г.

Снижение концентрации

метана летом – результат

максимальной активности

окисления его гидроксильным

радикалом

Page 32: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ
Page 33: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Nature 439, 187-191 (12 January 2006) | Methane emissions from terrestrial

plants under aerobic conditions

Frank Keppler, John T. G. Hamilton, Marc Brass and Thomas Röckmann

Наземные растения выделяют в год от 62 до 236 млн тонн

метана

Page 34: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Frank Keppler, atmosphere scientist, Institut fuer Kernphysik, Heidelberg, Germany

Thomas Roeckmann, atmosphere scientist, Institute for Marine and Atmospheric Research, Utrecht, The Netherlands

Page 35: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ
Page 36: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

"This finding was shocking," recalls Euan Nisbet of Royal Holloway, University of London, in Egham, U.K. If true, both plant biochemistry and global methane budget would need a major reexamination. It could also mean that the human contribution to global warming is less than previously thought.

Nisbet's team set about to investigate Keppler's findings by growing the same plants, including celery (Apium graveolens) (сельдерей) and a type of rice (Oryza sativa), in the absence of external sources of the greenhouse gas. The group found no trace of methane, suggesting that the plants alone cannot make the gas. In a separate experiment, the team placed the plants in water containing dissolved methane. Sure enough, the roots drew up the methane-soaked water and the leaves then pushed out the gas and water vapor--a process known as transpiration.

The researchers also tried to find a chemical pathway by which the plants could make methane aerobically. They came up empty: None of the plants' genes codes for enzymes similar to those made in methane-producing microbes. "This showed that the plants were not guilty," says co-author Christopher Howe of the University of Cambridge in the U.K. The findings are published online today in the Proceedings of the Royal Society B.

Page 37: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ
Page 38: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

It has been proposed that plants are capable of producing methane by a novel and unidentified biochemical pathway. Emission of methane with an apparently biological origin was recorded from both whole plants and detached leaves. This was the first report of methanogenesis in an aerobic setting, and was estimated to account for 10–45 per cent of the global methane source. Here, we show that plants do not contain a known biochemical pathway to synthesize methane. However, under high UV stress conditions, there may be spontaneous breakdown of plant material, which releases methane. In addition, plants take up and transpire water containing dissolved methane, leading to the observation that methane is released. Together with a new analysis of global methane levels from satellite retrievals, we conclude that plants are not a major source of the global methane production.

Page 39: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Метаногены довольно теплолюбивые организмы. Процесс резко тормозится

при тем-ре ниже 15о

При глобальном потеплении усиливается образование

метана в болотах

Page 40: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

На севере Сибири в результате таяния вечной

мерзлоты в атмосферу ежегодно поступает около

4 млн тонн метана

Это результат разложения органического вещества,

образованного в плейстоцене – 35000 - 43000

лет тому назад

«Мамонтова степь» -на переднем плане

эласмотерий

Page 41: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Метанотрофы (метанокисляющие)

СH4 + O2 → CO2 + H2O

В водоемах метанотрофы располагаются в аэробной зоне над тем горизонтом,

где сосредоточены метаногены, и перехватывают поднимающийся вверх метан

Page 42: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

ЧТО НАС ОЖИДАЕТ?

Page 43: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Глобальное потепление

И ПАРНИКОВЫЕ

ГАЗЫ

Page 44: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Москва 7 августа 2010 г.

Фото: Viacheslav Lopatin / IP с сайта: http://fototelegraf.ru/?p=12532

Page 46: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

David Barriopedro, et al. // Science. 2011. V. 332. P. 220–224

Превышение средней оценено как величина стандартного отклонения при разных временных интервалах. Использованы следующие отрезки времени: A — 7

дней; B — 15 дней; C — 31 день; D — 81 день. Черными точками показаны районы, в которых отмечены рекордные значения, превысившие все наблюдавшиеся ранее максимумы. Цифры в левом верхнем углу — отмеченное превышение максимума в °C, а также в стандартных отклонениях (SD)

Page 47: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

David Barriopedro, et al. // Science. 2011. V. 332. P. 220–224

Page 48: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Частотное распределение летних температур в Европе за период с 1500 по 2010 г. относительно средней за 1970-1999 гг. (0оС).

David Barriopedro, et al. // Science. 2011. V. 332. P. 220–224

Page 49: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

С 1990 по 2005 г. средняя температура на Земле

возросла на 0,33°C

Stefan Rahmstorf et al., Recent Climate Observations Compared to Projections

// Science. 2007. V. 316. P. 709.

Page 50: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Таяние Гренландских ледников (данные по массе льда со спутников GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment)

Page 51: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

СО2

Page 52: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Причины для беспокойства:Ежегодно в результате сжигания

ископаемого топлива в атмосферу

выбрасывается 7 Гт углерода

+ 1.6 Гт поступает при сведении лесов

В сумме около 9 Гт углерода

выбрасывается в атмосферу благодаря человеку

Page 53: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Причины для беспокойства:

Из этих 9 Гт океаном и сушей связывается в

целом 5 ГтОстальное (4 Гт)

остается в атмосфере

Page 54: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Сезонные колебания содержания СО2 в атмосфере, наложенные на линию многолетнего тренда. За последнее десятилетие вся кривая сместилась влево: фотосинтез начинает всё раньше преобладать над дыханием (сдвиг даты - «весеннее пересечение нулевой отметки» — Spring zero crossing date). Но дата «осеннего пересечения нулевой отметки» (Autumn zero crossing date), также сместилась на более ранние сроки. В теплые осени дыхание возрастает особенно интенсивно и это сводит на нет результаты активного фотосинтеза весной. Рис. из: Miller J.B. Carbon cycle: Sources, sinks and seasons // Nature. 2008. V. 451. P. 26–27

Page 55: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Tragedy of the

commonsHardin G. "The Tragedy of the

Commons". Science. 1968. V. 162, pp. 1243–1248.

Page 56: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Скандальная «хоккейная клюшка»

Page 57: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Относительные изменения тем-ры воздуха (в °С ) в Сев. полушарии за последнее тысячелетие согласно оценкам, приведенным в 10 разных публикациях. Исходные данные – результаты дендрохронологического анализа (по кольцам нарастания деревьев), а также анализа озерных отложений. За 0 принята средняя тем-ра для периода с 1961 по 1990 г. Разная насыщенность заливки соответствует степени совпадения оценок разны х авторов (чем темнее, тем больше совпадение). Значительный разброс отмечен для периода около 1000 г., когда согласно некоторым оценкам наблюдалось заметное потепление. Гораздо больше согласия в данных за последние 150 лет, когда наряду с дендрохнологическими данными появились инструментальные оценки (показаны сплошной черной линией). Шкала по вертикали: изменения тем-ры (в °С ) относительно средней для 1961-1990-х гг. По данным отчёта IPCC за 2007 г.

Page 58: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Jeff Tollefson Nature Vol 466|1 July 2010

Page 59: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Содержание СО2 в атмосфере, средняя температура на

поверхности Земли и средний уровень Мирового океана с 1973

года по настоящее время.

Тонкие сплошные линии — реальные данные , толстые сплошные —

усредненные.

(Разным цветом на одной панели показаны данные разных климатических центров)

Пунктирные линии - данные прогнозов, доверительные интервалы показаны

серым цветом). Изменения температуры и уровня океана приведены как отклонения

от линии тренда в месте пересечения отметки 1990 года (принято за нуль).

Stefan Rahmstorf et al., Recent Climate Observations Compared to Projections // Science. 2007. V. 316. P. 709

Page 60: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

Уровень Мирового океана с 1993 по 2006 год возрастал в среднем на

3,3 ± 0,4 мм за год

Это быстрее, чем за любое 20-летие в течение 115 предшествующих лет

(Модель давала прогноз только 2.0 мм за год)

Stefan Rahmstorf et al., Recent Climate Observations Compared to Projections

// Science. 2007. V. 316. P. 709.

Page 61: УГЛЕРОД  НА  СУШЕ

David Archer & Victor Brovkin The millennial atmospheric lifetime of anthropogenic CO2 //Climate Change. 2008. 90: 283-297

Зависимость уровня океана

от температуры в

геологическом масштабе времени