Verbeterde voedselproductie (19): Isopreen: produceert de natuur een goede of een slechte stof?

Isopreen is een stof die door veel bomen en struiken in de tropen en in mindere mate door bomen en struiken in de gematigde zones wordt gemaakt. Deze stof is gedurende een lange tijd vooral als slecht gezien. Het laatste decennium zijn er nieuwe onderzoeksresultaten verschenen die interessante positieve(re) aspecten van isopreen belichten. Daarom hier een overzicht om een beeld te geven of het nu een goed of een slecht goedje is.

De chemische eigenschappen

Chemisch gezien is isopreen (C5H8, oftewel 2-methylbuta-1,3-dieen) een stof die bereid kan worden bij thermisch kraken van nafta of aardolie. Het is een grondstof voor allerlei polymeren. Het is een vluchtige, zeer licht ontvlambare kleurloze vloeistof, en kan (doordat deze zwaarder is dan lucht) explosieve mengsels vormen. Het smeltpunt licht bij -146 graden, en het kookpunt licht bij 34 graden. Het wordt beschouwd als een mogelijk kankerverwekkende stof. Bij contact op de huid kan er roodheid en jeuk optreden. Kortom, chemisch gezien lijkt het een niet al te leuk goedje.

Waar wordt het gemaakt in de natuur?

Isopreen wordt onder andere geproduceerd door bacterien, schimmels, algen en dieren. Het is een Vluchtige Organische Stof (in het Engels Volatile Organic Compound (VOC), een groep stoffen die planten produceren om zich te beschermen en te communiceren met andere planten en met dieren. De meeste isopreen (90%) wordt echter geproduceerd door de vegetatie op land: ongeveer 500 Tg isopreen/jaar. Dit is vergelijkbaar met de totale methaan uitstoot van 600 a 700 Tg/jaar. De natuur stoot dus heel veel isopreen uit (bron)! Planten en struiken in de tropen zijn de grote isopreen producenten, en een lagere productie vindt plaats in bossen in gematigde streken. De isopreen productie varieert zeer sterk tussen verschillende soorten planten en struiken (zie o.a. deze database). Geschat wordt dat 2% van de vastgelegde koolstof wordt gebruikt bij isopreen productie. Maximale isopreen (VOC) productie is onder andere afhankelijk van de temperatuur (hoe hoger de temperatuur hoe groter de productie), met een bepaald optimum per plant (bij temperaturen boven het optimum neemt de productie weer af), zie hiervoor ook onderstaande figuur.

Bron: https://www.academia.edu/download/46127697/Isoprene_emissions_and_climate20160601-12306-fbskwm.pdf

In het algemeen geldt, dat hoe meer stress (hoge temperatuur, water tekort, te veel zout etc) de plant ondervind hoe meer isopreen (en andere VOC's) er wordt geproduceerd. Hogere temperaturen als gevolg van klimaatverandering kan dan dus in bepaalde gebieden leiden tot een toename van de isopreen productie, in andere juist tot een afname. Tegelijkertijd lijkt verhoging van de CO₂ concentratie de isopreen productie juist te verlagen (bron). Ook een hogere ozon/O₃ concentratie lijkt dit effect te hebben (bron). In planten wordt isopreen geproduceerd bij de chloroplast, dit doet vermoeden dat er een relatie bestaat tussen isopreen productie en fotosynthese. Door de dubbele koolstofverbindingen in isopreen, is het een zeer reactieve stof, waardoor het in de lucht een levensduur heeft van minuten of uren (bron).

Het proces van afbraak van isopreen

Zoals aangegeven is isopreen door de dubbele koolstofverbindingeneen zeer reactieve stof. In de lucht kan het reageren met OH-radicalen, NO_x of met ozon (O₃) (bron). Het afbraakproces is een zeer complex proces met zeer veel verschillende afbraakpaden welke afhankelijk zijn van de concentraties van de benodigde stoffen (OH-radicalen, O₃ en NO; zie hier voor NO impact en hier voor de impact van OH-radicalen). Onderstaande figuur laat voor deze 3 stoffen de bij de auteurs van het artikel bekende afbraakpaden zien: 3 kerstbomen!

Bron: https://www.researchgate.net/publication/251450253_Chapter_10_Theoretical_Investigation_of_Atmospheric_ Oxidation_of_Biogenic_Hydrocarbons_A_Critical_Review

De eigenschappen (Goed (V) of slecht (X))

V - Isoprenen worden geproduceerd door planten en die hebben daar zo hun redenen voor: Isopreen lijkt een antioxidant te zijn voor planten. De stof lijkt de plant te beschermen tegen bladschade door ozon, tegen oxidatieve schade door zuurstofradicalen, tegen hoge bladtemperaturen. Mogelijk is de stof ook betrokken bij het gaan bloeien, en heeft het invloed op de interactie tussen insecten en planten (bron).

X (?) Isopreen heeft ook invloed op de gezondheid van de mens. De door de mens veroorzaakte luchtvervuiling (CO, NO) kan klachten veroorzaken. Door bomen geproduceerde isopreen kan echter ook met antropogene NO_x afbreken tot ozon (O₃) - zie de onderstaande figuur - wat ook een negatieve invloed heeft op de gezondheid van de mens (en dieren). Zeker in hete droge zomers, als bomen in de stress schieten, gaan ze meer isopreen produceren. In parken en andere openbare gebieden die beplant zijn met bomen (zeker als er veel uitlaatgassen zijn), maar ook in straten die beplant zijn met bomen, kan dit de luchtkwaliteit beinvloeden en daarmee een effect hebben op de gezondheid van de daar aanwezige mensen (zie dit artikel). De vraag is echter of de boom, of het door de mens gemaakte systeem hier de schuld van moet krijgen. Want om hiervoor bomen te verwijderen of zelfs niet te planten, gaat mogelijk wel heel ver en maakt dat de 29 positieve effecten van een boom niet kunnen optreden (zie deze blog) en juist in tijden van klimaatverandering zijn bomen in steden hard nodig!

Bron: https://acp.copernicus.org/articles/11/10449/2011/acp-11-10449-2011.html

V - Isoprenen blijken in een complex chemisch proces te kunnen oxideren tot condensatiekernen, en dus zorgen voor regenvorming (bron uit 2004). De planten die dus meer isopreen gaan produceren als ze in de stress zitten (bijvoorbeeld omdat het te heet is, te droog, of te zout), kunnen door de isopreen uit te stoten hun omgeving beinvloeden en regen maken en daarmee deze stressfactoren verlagen (verkoeling, vernatting en verzoeting). Geschat wordt dat hiermee 5 tot 25% van de organische aerosolen worden gevormd.

Bron: http://www.dwd.de/EN/research/observing_atmosphere/composition_atmosphere/trace_gases/cont_nav/voc_node.html

X => V - Isopreen blijkt ook een rol te spelen bij de afbraak van methaan, en dus het opschonen van de lucht (bron uit 2012, bericht 2,  artikel). Lang werd gedacht dat de afbraak van isopreen door reactie met hydroxylradicalen de hydroxylconcentratie verlaagd, maar onderzoek van het Max Planck instituut laat zien dat isopreen bijdraagt aan zowel de reductie als de vorming van hydroxylradicalen. Isopreen reageert met hydroxylradicalen tot hydro-peroxy-aldehyde. De vervolgstap hangt af van de concentratie hydroxylradicalen in de atmosfeer: als er zeer weinig hydroxylradicalen in de lucht aanwezig zijn, oxideert hydro-peroxy-aldehyde met zuurstof en zonlicht tot meer hydroxylradicalen. Bij hoge hydroxylconcetraties wordt hydro-peroxy-aldehyde verder afgebroken door te reageren met hydroxylradicalen, waardoor de concentratie hydroxylradicalen dus wordt verlaagd. Kortom, de isopreen werkt als een bufferstof, die de hydroxylconcentratie binnen een bepaalde bandbreedte houdt.

Conclusie

De natuur (vooral bomen en struiken) produceert heel veel isopreen, ongeveer net zo veel als de huidige methaanuitstoot. Ongeveer 2% van de vastgelegde koolstof wordt door planten en bomen gebruikt voor isopreenproductie. Isopreen wordt vooral in de tropen geproduceerd en in mindere mate in de gematigde streken. Niet alle planten produceren isopreen, dit kan zelfs per familie verschillen. Hoe hoger de stress van een plant (hogere temperatuur, droger, meer zonlicht intensiteit), hoe meer isopreen wordt geproduceerd tot een bepaald optimum. Primair lijkt de stof te worden geproduceerd voor bescherming van de plant tegen stress factoren zoals hoge temperatuur en te hoge zonlichtintensiteit, maar hij heeft ook invloed op atmosferische processen. De stof is betrokken in de atmosfeer bij een zeer complexe chemie van zeer veel verschillende afbraakpaden afhankelijk van de concentratie van verschillende stoffen (OH-radicalen, O₃ en NO). Dit maakt goed begrip van het hele systeem van isopreenafbraak en de gevolgen hiervan zo ontzettend lastig te begrijpen.
De stof kan (zeker als er veel antropogene NO_x in de lucht zit) leiden tot een verhoogde ozon concentratie (afhankelijk van welke luchtlaag is dat goed om slecht (o.a. voor de mens)); vooral dit heeft er toe geleidt dat isopreen een negatief imago heeft (en daarmee bomen).
Recent onderzoek heeft echter interessante juist positieve aspecten van isopreen voor het klimaat laten zien: isopreen blijkt een bufferstof voor hydroxolradicalen (het wasmiddel voor verwijdering van broeikasgassen) en isopreen draagt bij aan regenvorming (geschat wordt 5 tot 25% van de organische aerosolen).
Kortom: isopreen is een interessante stof, die als gevolg van vervuiling die de mens heeft veroorzaakt, tot andere luchtvervuiling (met mogelijke luchtwegproblemen voor de mens) kan leiden (ozon vorming). De vraag is echter of de boom de schuld moet krijgen van de antropogene luchtvervuiling... Veel belangrijker is echter dat deze stof een zeer belangrijke bijdage kan leveren tot meer regenvorming en zorgt voor het op peil houden van het wasmiddel van de lucht (onder andere afbraak van methaan). Dus meer positieve dan negatieve eigenschappen - tijd dus voor een herwaardering van deze stof!

Bronnen

- http://www.es.lancs.ac.uk/cnhgroup/iso-emissions.pdf
- https://eprints.lancs.ac.uk/id/eprint/58849/3/weather_paper_final_draft.pdf
- https://www.academia.edu/download/46127697/Isoprene_emissions_and_climate20160601-12306-fbskwm.pdf
- http://agri.ckcest.cn/ass/NK003-20161010001.pdf
- https://acp.copernicus.org/articles/11/10449/2011/acp-11-10449-2011.html
- http://envimet.czechglobe.cz/files/Lusini.pdf
- http://www.dwd.de/EN/research/observing_atmosphere/composition_atmosphere/trace_gases/cont_nav/voc_node.html
- https://www.mdpi.com/2073-4433/10/3/154/pdf
- https://www.mpg.de/495047/pressRelease20040224
- https://www.mpg.de/5050963/atmosphere_self-cleaning
- https://www.nature.com/articles/ngeo1405
- https://www.nature.com/articles/s41396-018-0072-6
- https://academic.oup.com/aob/article/101/1/5/91716
- https://www.researchgate.net/publication/235946832_Why_only_some_plants_emit_isoprene
- https://www.researchgate.net/publication/251450253_Chapter_10_Theoretical_Investigation_of_Atmospheric_Oxidation_of_Biogenic_ Hydrocarbons_A_Critical_Review
- https://www.researchgate.net/publication/301920975_Aqueous-phase_mechanism_for_secondary_organic_aerosol_formation_from_isoprene_Application_to_ the_Southeast_United_States_and_co-benefit_of_SO2_emission_controls/figures?lo=1
- https://www.researchgate.net/publication/339269906_Rainforest-like_Atmospheric_Chemistry_in_a_Polluted_Megacity/figures?lo=1
- https://www.scirp.org/journal/paperinformation.aspx?paperid=22974
- https://scitechdaily.com/researchers-clarify-recycling-mechanism-for-hydroxyl-radicals/
- https://nl.wikipedia.org/wiki/Isopreen
- https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2003JD004236
- https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.13629

Verbeterde voedselproductie 18           Verbeterde voedselproductie 20