Erste Feldmessungen von Lachgasisotopen

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Aus gedüngtem und nassem Boden tritt besonders viel Lachgas aus. Jonas Weckschmi

Aus gedüngtem und nassem Boden tritt besonders viel Lachgas aus. Jonas Weckschmied für Unsplash

Dank eines neu entwickelten Laserspektrometers können Empa-Forschende erstmals aufzeigen, welche Prozesse im Grasland zu Lachgasemissionen führen. Ziel ist es, durch ein besseres Verständnis der in den Böden ablaufenden Prozesse die Emissionen dieses potenten Treibhausgases zu verringern.

Lachgas (N2O) ist eines der wichtigsten Treibhausgase. In der Atmosphäre kommt es zwar deutlich seltener vor als Kohlendioxid (CO2), ist aber rund 300-mal so klimaschädlich. Lachgas verbleibt mehr als 100 Jahre in der Atmosphäre und trägt dort zur Erderwärmung bei. Zudem schädigt Lachgas die Ozonschicht. Die grösste Emissionsquelle von Lachgas sind Böden - insbesondere gedüngte, aber auch naturbelassene.

Forschende weltweit suchen nach Wegen, um Lachgasemissionen zu verringern. Doch die Forschung steckt noch in den Kinderschuhen. «Man weiss zwar, dass beispielsweise nach dem Düngen oder nach Regenfällen mehr Lachgas aus dem Boden entweicht. Aber welche Prozesse im Boden genau ablaufen, ist noch wenig erforscht», sagt der Empa-Emissionsund Isotopenforscher Joachim Mohn.

Empa-Forschende haben daher ein Laserspektrometer entwickelt, mit dem im Feld äusserst präzise Messungen möglich sind. «Man sieht genau, welche Isotopenzusammensetzung das gemessene Lachgas hat. Also beispielsweise, ob das Stickstoffatom mit einem zusätzlichen Neutron in der Mitte des Moleküls oder aber am Rand sitzt», erklärt Mohn. Die spezifische Bestimmung der Isotope lasse Rückschlüsse auf die Entstehungsprozesse des Lachgases zu. «Ausserdem kann mit den Isotopenmessungen abgeschätzt werden, inwieweit das schädliche Lachgas im Boden zu unschädlichem Stickstoff abgebaut wird.»

Lachgas bildet sich bei verschiedenen mikrobiellen Prozessen. Es kann als Nebenprodukt der Nitrifikation und als Zwischenprodukt bei der Denitrifikation entstehen. Bei der Nitrifikation wird Ammonium, etwa aus Dünger, zu Nitrat oxidiert. Bei der Denitrifikation wird Nitrat in Stickstoff umgewandelt.

«Die Empa, aber auch andere Forschungseinrichtungen, untersuchen, welcher biochemische Prozess in einem Bakterium bevorzugt welches Lachgas-Isotop bildet», so Mohn (s. Box). Aufbauend auf diesen Erkenntnissen haben Empa-Forschende gemeinsam mit Wissenschaftlern der ETH Zürich und des Karlsruher Instituts für Technologie über mehrere Monate in Bayern mehr als 600 Laserspektrometer-Messungen über Grasland durchgeführt und so die Isotopenzusammensetzung des emittierten Lachgases analysiert. Gleichzeitig haben die Forschenden Einflussgrössen wie die Feuchtigkeit des Bodens, Nährstoffgehalte, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeiten und den Zeitpunkt von Niederschlägen und Düngungen aufgezeichnet. Ein Novum, wie Joachim Mohn erklärt: «Über einem Boden kontinuierlich zu messen, war mit den bisherigen massenspektrometrischen Messgeräten schlicht unmöglich. Dank unseres neuen Geräts können wir nun hochpräzise Messungen im Feld durchführen und die so erhaltenen Ergebnisse, etwa von Grasland, mit denjenigen aus dem Labor vergleichen.»

Die Forschenden überprüfen nun mit den ersten Feldmessungen, ob bisherige Emissionsmodelle gute Vorhersagen erlauben oder wie sie allenfalls verbessert werden können. Mohn: «Bisher konnte man nur sagen, ob ein Modell zur Prognose der Lachgasemission den Zeitpunkt und die Menge richtig widergibt. Bestimmt man dazu noch die Isotopensignatur, dann weiss man auch gleich, ob das Modell die Entstehungsprozesse für Lachgas richtig voraussagt.»

Dies sei ein enorm wichtiger Schritt für die Lachgasforschung, sagt der Empa-Forscher. «Das Fernziel ist, die Lachgasemissionen aus natürlichen und landwirtschaftlich genutzten Böden zu reduzieren.» Bis dahin sei es allerdings noch ein weiter Weg. «Aber einen ersten Meilenstein haben wir nun immerhin erreicht», so Mohn.

Lachgas (N2O) setzt sich aus zwei Stickstoffund einem Sauerstoffatom zusammen. Stickstoff und Sauerstoff kommt in verschiedenen natürlichen Isotopen vor. 99 Prozent aller Stickstoffatome bestehen aus sieben Protonen und sieben Neutronen und haben eine atomare Masse von 14; das Isotop heisst dementsprechend 14N. 15N hat ein Neutron mehr und ist mit einer Häufigkeit von lediglich 0,4 Prozent äusserst selten. Das häufigste Lachgas-Molekül ist demzufolge 14N14N16O. Ein Lachgasmolekül mit einem 15N- und einem 14N-Atom, beispielsweise 15N14N16O, ist etwas schwerer und verhält sich daher auch etwas anders. Und genau diese Unterschiede «erkennt» das neue Empa-Laserspektrometer. Die Isotopenzusammensetzung des Lachgases dient dann - wie eine Art Fingerabdruck - als Hinweis, bei welchem mikrobiellen Prozessen das Gas entstanden ist.