In einer wegweisenden Studie, die am Institut für Geowissenschaften der Universität Heidelberg durchgeführt wurde, haben Forscher herausgefunden, dass das Biopolymer Lignin, das in Pflanzen und Böden als wichtiger Kohlenstoffspeicher dient, nicht nur durch biologische Prozesse wie durch Pilze oder Bakterien abgebaut wird. Vielmehr können auch abiotische chemische Reaktionen, an denen keine lebenden Organismen beteiligt sind, zur Umwandlung von Lignin in Methanol und Formaldehyd führen. Dies geschieht durch die Wechselwirkung von Eisen mit reaktiven Sauerstoffspezies, die in natürlichen Böden vorkommen.
Die Studie zeigt, dass diese chemischen Umwandlungsprozesse in Böden stattfinden können, die lediglich befeuchtet werden, ohne dass zusätzliche Chemikalien hinzugefügt werden müssen. Diese Entdeckung lenkt die Aufmerksamkeit auf einen bislang vernachlässigten abiotischen Prozess, der eine bedeutende Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf spielen könnte und Auswirkungen auf die Emission von Spurengasen sowie die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre hat.
Lignin ist ein entscheidender Bestandteil des nicht-fossilen organischen Kohlenstoffs auf der Erde und verleiht pflanzlichen Materialien wie Holz ihre Festigkeit. Es ist charakterisiert durch Methoxygruppen (–OCH₃), deren Abbau zu Methanol und Formaldehyd führt. Während Methanol und Formaldehyd in der Industrie als wichtige Chemikalien bekannt sind, dienen sie im Boden auch als Energie- und Kohlenstoffquelle für Mikroorganismen.
Bislang war unklar, dass der Abbau von Lignin durch Eisen und reaktive Sauerstoffspezies eine bedeutende Quelle für diese Verbindungen darstellen kann. Eisen ist ein natürliches Mineral in vielen Böden, und reaktive Sauerstoffspezies entstehen unter variierenden Umweltbedingungen. Wenn diese reaktiven Spezies mit Lignin in Kontakt kommen, können sie die Methoxygruppen direkt aus dem Biopolymer herauslösen, was zu der Bildung von Methanol und anschließend Formaldehyd führt.
Der Prozess kann bereits bei Raumtemperatur und Normaldruck in Wasser stattfinden und wird bei erhöhten Temperaturen noch verstärkt. Während ähnliche chemische Reaktionen in industriellen Prozessen unter extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen und Druck ablaufen, zeigen die Ergebnisse der Heidelberger Forscher, dass diese Umwandlungen auch in natürlichen Umgebungen möglich sind.
Die Wissenschaftler haben den Reaktionsverlauf mithilfe von isotopenmarkierten Molekülen verfolgt. Dabei wurde festgestellt, dass die Methoxygruppe als Ganzes abgetrennt wird, was eine andere chemische Reaktion darstellt als bisher bekannte Abbauwege, bei denen lediglich Methylgruppen entfernt werden. Unterstützt werden die experimentellen Ergebnisse durch quantenchemische Berechnungen, die belegen, dass der Abbau der Methoxygruppe energetisch am günstigsten ist.
Um zu zeigen, dass dieser Prozess tatsächlich in natürlichen Böden stattfindet, führten die Forscher Versuche mit sterilisierten Bodenproben durch. Es wurde festgestellt, dass allein durch die Befeuchtung Methanol und Formaldehyd gebildet wurden, ohne dass Eisen oder reaktive Sauerstoffspezies hinzugefügt wurden. Diese Methanolbildung hielt über mehrere Feucht-Trocken-Zyklen an, und sie trat nicht auf, wenn die Methoxygruppen vorher entfernt wurden. In biologisch aktiven Böden war der Methanolgehalt hingegen geringer, da Mikroorganismen diesen rasch nutzen.
Die Entdeckung, dass Methanol und Formaldehyd auch chemisch aus ligninreichen organischen Materialien freigesetzt werden können, überrascht die Wissenschaftler. Wenn diese Verbindungen in die Atmosphäre gelangen, können sie dort photochemische Reaktionen beeinflussen und damit die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre verändern. Erste Versuche zeigen, dass die Bildung von Methanol und Formaldehyd mit steigender Temperatur zunimmt, was Fragen zu den klimatischen Auswirkungen aufwirft, die in zukünftigen Studien weiter untersucht werden müssen.
Das Forschungsteam, das sich aus Mitgliedern verschiedener Institute der Universität Heidelberg zusammensetzt, hat zudem die Relevanz dieser Erkenntnisse für die Nutzung von Lignin als Nebenprodukt der Papierindustrie hervorgehoben. Die Ergebnisse dieser Studie wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht und könnten weitreichende Implikationen für unser Verständnis der chemischen Prozesse in Böden und der globalen Kohlenstoffzyklen haben.
