Leaf level VOC emissions of single plants from Amazonian and Mediterranean ecosystems [Elektronische Ressource] : ontogeny and flooding as stress factor for VOC emissions / vorgelegt von Araceli Bracho Núñez

Salvador Bracho

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• Biologie

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• Publié par: johannes_gutenberg-universitat_mainz
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 13
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

Leaf level VOC emissions of single
plants from Amazonian and
Mediterranean ecosystems;
Ontogeny and flooding as stress factor
for VOC emissions

Dissertation
zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften

am Fachbereich Biologíe
der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz


vorgelegt von

Araceli Bracho Núñez
geboren am 26. April 1977 in Sevilla (Spanien)

Mainz, 2010


Dekan:

1. Berichtstatter:
2. Berichtstatter:

Tag der mündlichen Prüfung: 29.10.2010
2 DANKSAGUNG

Meinem wissenschaftlichen Betreuer möchte ich für die freundliche Überlassung des Themas
und für den vielseitigen fachlichen Rat danken. Ich bedanke mich bei allen Kollegen meiner
Arbeitsgruppe für die intensive Betreuung, mit denen ich tagelange Messungen teilen durfte
und die mich stets unterstützten und ermunterten. Dr. K. verdanke ich jede erdenkliche
Fürsprache, hilfreiche Unterstützung und anregende Gespräche. T. C. und V. S. möchte ich
meinen besonderen Dank aussprechen, weil sie mich in jeder Phase der Arbeit sachkundig
begleiteten. Ich danke auch G. S. für seine Mitarbeit.
Ich möchte auch nicht den einfühlsamen und innovativen Gedankenaustausch mit Herrn Dr.
S. missen. Ich danke ihm, weil er mir die Möglichkeit geboten hat, mich in eine innovative
und moderne Thematik einzuarbeiten.
Danke an Herrn Dr. W. und and Herrn Prof. Dr. W. für die Betreuung der Arbeit.
Ich bedanke mich für die Zusammenarbeit bei den Kollegen des Botanischen Gartens der
Universität Kiel in Deutschland, des Projektes INPA/Max-Planck in Manaus, Brasilien und
des Institutes CEFE-CNRS in Montpellier, Frankreich. Speziell möchte ich mich für die
Unterstützung von W. A., C., Prof. Dr. P., B., F. W., J. S., bedanken.
Ich danke auch dem Zeichenbüro, in Person speziell Frau F., und den Technikern der
Institutswerkstatt, die bei jedem Problem immer bereit waren, zu helfen.
Nicht unerwähnt möchte ich jene lassen, die mir zur praktischen Umsetzung und
Fertigstellung der Arbeit verhalfen. Ihnen allen, speziell H. D., V. S., T. C. und K., gilt mein
herzlicher Dank.
Ich bedanke mich ganz herzlich bei meinem lieben Lebenspartner und Freund, der es
ermöglicht hat, diese Arbeit zu Ende zu bringen. Gracias mi vida, este trabajo también es
parte de tí. Te lo dedico con mucho cariño.
Vielen Dank an alle meine Freunde, in Deutschland; in Spanien; in Brasilien, in Frankreich,
die mir immer wieder zugehört haben und bei mir standen. Thank you very much! Vielen
Dank! Muchisimas Gracias! Muito Obrigada! Merci beaucoup!
Ich will nicht meine Brüder und Schwestern vergessen, die mir immer sehr nah beistanden.
Ich widme diese Arbeit meinen Eltern. Ich bedanke mich bei ihnen, wegen ihrer Hilfe in
jeglicher Hinsicht. Gracias por haberme apoyado en todo momento y haber estado a mi lado.
Sin vosotros nada de esto habria sido posible.
3 ZUSAMMENFASSUNG
Die Vegetation ist die wichtigste Quelle von organischen flüchtigen Verbindungen (auf
Englisch volatile organic compounds,VOCs), die einen bemerkenswerten Einfluss auf der
Chemie und Physik der Atmosphäre haben. VOCs beeinflussen die oxidative Kapazität der
Atmosphäre und tragen zu der Bildung und zum Wachstum von sekundären organischen
Aerosolen bei, welche einerseits eine Streuung und Reflektierung der Energie verursachen
und andererseits sich an der Bildung und Entwicklung von Wolken beteiligen. Ziel dieser
Arbeit war die Beschreibung und der Vergleich von VOC Emissionen aus Pflanzen aus zwei
verschiedenen Ökosystemen: Mediterranes Ökosystem und Tropisches Ökosystem. Für diese
Aufgabe wurden gewöhnliche Pflanzen von beiden Ökosystemen untersucht. Siebzehn
Pflanzenspezies aus der Mittelmeergebiet, welches bekannt ist für seine Vielfalt an VOC
emittierenden Pflanzen, wurden in die Untersuchungen einbezogen. Im Gegensatz zum
mediterranen Ökosystem sind nur wenig Information verfügbar über VOC Emissionen aus
Blättern tropischer Baumspezies. Vor diesem Hintergrund wurden sechsundzwanzig
Baumspezies aus verschiedenen Ökotypen des Amazonasbeckens (Terra firme, Várzea und
Igapó) wurden auf VOC Emissionen auf Blattebene mit einem Küvetten-System untersucht.
Analysen von flüchtigen organischen Verbindungen wurden online mit PTR-MS und offline
mittels Sammlung auf entsprechenden Adsorbern (Kartuschen) und nachfolgender GC-FID
Analyse untersucht. Die höchsten Emissionen wurden für Isoprene beobachtete, gefolgt durch
Monoterpene, Methanol und Aceton. Die meisten Mittelmeer Spezies emittierten eine hohe
Vielfalt an Monoterpenspezies, hingegen zeigten nur fünf tropische Pflanzenspezies eine
Monoterpene mit einen sehr konservativen Emissionsprofil (α-Pinen>Limonen>Sabinen >ß-
Pinen). Mittelmeerpflanzen zeigten zusätzlich Emissionen von Sesquiterpenen, während bei
der Pflanzen des Amazonas Beckens keine Sesquiterpenemissionen gefunden wurden. Dieser
letzte Befund könnte aber auch durch eine niedrigere Sensitivität des Messsystems während
der Arbeiten im Amazonasgebiet erklärt werden. Zusätzlich zu den Isoprenoidemissionen
waren Methanolemissionen als Indikator für Wachtumsvorgänge sehr verbreitet in den
meisten Pflanzenspezies aus tropischen und mediterranen Gebieten. Einige Pflanzenspezies
beider Ökosystemen zeigten Acetonemissionen.

VOC Emissionen werde durch eine große Vielfalt an biotischen und abiotischen Faktoren wie
Lichtintensität, Temperatur, CO und Trockenheit beeinflusst. Ein anderer, öfter übersehener 2
Faktor, der aber sehr wichtig ist für das Amazonas Becken, ist die regelmäßige Überflutung.
In dieser Untersuchung wir fanden heraus, dass am Anfang einer Wurzelanoxie, die durch die
Überflutung verursacht wurde, Ethanol und Acetaldehyd emittiert werden können, vor allem
in Pflanzenspezies, die schlechter an eine unzureichende Sauerstoffversorgung bei Flutung
adaptiert sind, wie z.B. Vatairea guianensis. Die Spezies Hevea spruceana, welche besser an
Überflutung adaptiert ist, könnte möglicherweise der gebildete Ethanol sofort
remetabolisieren ohne es zu emittieren. Nach einer langen Periode einer Überflutung konnte
allerdings keine Emission mehr beobachtet werden, was auf eine vollständige Adaptation mit
zunehmender Dauer schließen lässt. Als Reaktion auf den ausgelösten Stress können
Isoprenoidemissionen ebenfalls kurzfristig nach einigen Tage an Überflutung zunehmen,
fallen dann aber dann nach einer langen Periode zusammen mit der Photosynthese,
Transpiration und stomatäre Leitfähigkeit deutlich ab.

Pflanzen Ontogenese ist anscheinend von Bedeutung für die Qualität und Quantität von VOC
Emissionen. Aus diesem Grund wurden junge und erwachsene Blätter einiger gut
charakterisierten Pflanzen Spezies aus dem Mittelmeerraum auf VOC Emissionen untersucht.
Standard Emissionsfaktoren von Isopren waren niedriger in jungen Blättern als in erwachsene
4 Blätter. Hingegen wurden höhere Monoterpen- und Sesquiterpenemissionen in jungen Blätter
einiger Pflanzenspezies gefunden. Dieser Befund deutet auf eine potentielle Rolle dieser
VOCs als Abwehrkomponenten gegen Pflanzenfresser oder Pathogene bei jungen Blätter hin.
In einigen Fällen variierte auch die Zusammensetzung der Monoterpen- und
Sesquiterpenspezies bei jungen und erwachsenen Blättern. Methanolemissionen waren, wie
erwartet, höher in jungen Blättern als in ausgewachsenen Blättern, was mit der
Demethylierung von Pectin bei der Zellwandreifung erklärt werden kann. Diese Befunde zu
Änderungen der Emissionskapazität der Vegetation können für zukünftige Modellierungen
herangezogen werden.
5 ABSTRACT
Terrestrial vegetation is the most important source of atmospheric volatile organic compounds
(VOC) with significant influence on the chemistry and physics of the atmosphere. VOC
influence the oxidative capacity of the atmosphere and contribute to the formation and growth
of secondary organic aerosols affecting scatter and reflectance of energy as well as cloud
development and precipitation. The aim of this work was to achieve a description and
comparison of VOC emission from tropical and Mediterranean vegetation. For this task
common plant species of both ecosystems were investigated. Sixteen plant species from the
Mediterranean area, which is known for its special diversity in VOC emitting plant species,
were chosen. In contrast, little information is currently available regarding emissions of VOCs
from tropical tree species at leaf level; twenty-six tree species from different environments of
the Amazon basin, i.e.Terra firme, Várzea and Igapó, were screened for VOCs emission at
leaf level with a branch enclosure system. Analysis of volatile organics was performed online
by PTR-MS and offline by collection on adsorbent tubes and subsequen