Kunnen planten het klimaat- en energieprobleem oplossen?

Door menselijke activiteiten komt er jaarlijks zo'n 9 gigaton of 9 miljard ton CO2 in de atmosfeer terecht. Het probleem is namelijk dat eenmaal dat de CO2 in atmosfeer is terecht gekomen, het een hele tijd duur voordat het er weer uit wordt gehaald. En door dat de snelheid waarmee CO2 de atmosfeer binnenkomt groter is dan de snelheid waarmee ze eruit wordt gehaald, komt er maar steeds meer en meer CO2 in de atmosfeer te zitten. Aangezien CO2 een broeikasgas is, is het zo wanneer er zich een grotere hoeveelheid in de atmosfeer bevindt, dat de temperatuur op aarde zal gaan stijgen, met alle gevolgen van dien. De atmosfeer is een onderdeel van de koolstofkringloop, dit is de biochemische kringloop die alle processen beschrijft waarmee het element koolstof door het systeem 'Aarde' circuleert. De atmosfeer is maar één van de vier ruimtes waarin de koolstofkringloop is opgedeeld, de andere drie zijn namelijk de hydrosfeer, de biosfeer en de lithosfeer.

De hydrosfeer staat voor het geheel water die zich op, onder en boven het oppervlak van de aarde bevindt. Dit omvat dus alle oceanen, zeeën, rivieren, (pak)ijs, sneeuw en grondwater. De hydrosfeer bevat ongeveer zo'n 38.000 gigaton koolstof in de vorm van opgeloste CO2, alsook opgeloste koolzuur- en carbonaar-ionen. Deze hoeveelheid omvat 0,05% van de totaal aanwezige koolstof in de koolstofkringloop. Ook komen hier nog sporen van opgeloste methaan en in water zwevende organische deeltjes voor.

Ook in de biosfeer komt er bijna overal koolstof voor en toch is koolstof een relatief zeldzaam element op aarde. Van alle elementen aanwezig op aarde, is slechts 0,099% daarvan koolstof. In vergelijking met andere elementen is dit percentage relatief klein. Bijvoorbeeld 49% van alle elementen op aarde zijn zuurstof, 19% ijzer, 14% silicium en 12,5% magnesium. Dus er kan zeker gezegd worden dat het aandeel koolstof klein is in vergelijking met andere elementen. Toch is koolstof van cruciaal belang voor al het leven in de biosfeer. Een ontwikkeling van leven op basis van koolstof is alleen mogelijk wanneer organismen de koolstofkringloop benutten en zelf weer een gesloten koolstofkringloop vormen. Opslagvormen van koolstof in organismen zijn organische stoffen en carbonaten. In totaal, bevatten de organismen in terrestrische ecosystemen zo'n 800 gigaton koolstof en die in zeeën 3 gigaton koolstof. De hoeveelheid koolstof in de terrestrische ecosystemen en in de zeeën samen is ongeveer 0,001% van de totale hoeveelheid koolstof die zich in de koolstofkringloop bevindt. Met terrestrische ecosystemen en de ecosystemen in de zeeën refereert men dus naar alle bossen , graslanden, koraalriffen en alle andere. De biosfeer is ook de ruimte van de koolstofkringloop die de kleinste hoeveelheid koolstof bevat, maar deze ruimte is wel de motor van de kortlopende organische kringloop.

De lithosfeer is de ruimte van de koolstofkringloop die dan de grootste aandeel van de totale koolstof in de koolstofkringloop bevat. De lithosfeer of steenlaag is het buitenste gedeelte van de vaste Aarde. Deze laag is ongeveer 80 km dik. De lithosfeer bestaat uit de aardkorst en het bovenste gedeelte van de aardmantel. In totaal bevindt zich hier 99,8% van de totale hoeveelheid koolstof van de koolstofkringloop. De uitwisseling van koolstof naar de andere ruimtes van de koolstofkringloop is hier bijzonder laag, als die er in eerste instantie al is. Dus de lithosfeer is een van de lange termijnopslag van de koolstof. De koolstof in de lithosfeer kan zich in onder andere 4 verschillende situaties bevinden. De eerste is in sedimenten en daaruit ontstane krijtgesteente, zoals carbonaat, kerogeen en gashydraten. Gashydraat is een verbinding van water rond het vriespunt (of ijs) en een gas, dat in de moleculaire holtes van het water zit opgesloten. Voor de koolstofkringloop is in het bijzonder methaanhydraat van belang. Het zit in het zeesediment en in de permafrost. Daar is het methaan ontstaan door anaerobe bacteriële omzetting van organische stoffen. Bij oververzadiging van het water met methaan en bij temperaturen net onder het vriespunt of hoge druk worden methaanhydraten gevormd. Maar door verandering van de druk- en temperatuursverhouding kunnen grote hoeveelheden methaan in een korte tijd vrijkomen in de atmosfeer. Doordat methaangas een veel sterker broeikasgas is CO2, zo een de lozing van een grote hoeveelheid van methaangas in de atmosfeer zeer grote effecten kunnen hebben op de temperatuur op aarde en het klimaat. De tweede is het koolstof die de fossiele brandstoffen bevatten, het gaat hier dus om steenkool, aardolie en aardgas. Daarnaast kan het koolstof ook vastgehouden worden in humus, turf, mineralen en dergelijke. En ook kan koolstof in de lithosfeer voorkomen in vorm van grafiet.

De atmosfeer is dan de vierde en de laatste ruimte waaruit de koolstofkringloop bestaat. Momenteel bevat onze atmosfeer hier op aarde zo'n 388 parts per million CO2. In totaal staat deze concentratie voor ongeveer 800 gigaton koolstof. Dit is terug een beperkt aandeel van de totale hoeveelheid koolstof die zich in de koolstofkringloop bevindt. Dit aandeel zou zo'n 0,001% bedragen en dus is de atmosfeer samen met de biosfeer de twee ruimtes van de koolstofkringloop die de kleinste hoeveelheid koolstof bevatten. Maar allebei deze ruimtes zijn wel het gevoeligst voor veranderingen. Bij veranderingen zullen deze twee ruimtes hier het snelst op gaan reageren. De belangrijkste koolstofverbinding in deze ruimte is koolstofdioxide (CO2).

De mens speelt dus ook een rol in de koolstofkringloop, zelfs zonder ook maar één iets te doen wordt de mensen al betrokken in de koolstofkringloop aangezien ook ons lichaam al koolstof bevat. Maar de ene activiteiten heeft een grotere invloed dan een andere activiteit. Maar zonder twijfel is er één activiteit waarbij de hoeveelheid koolstof die daarbij te pas komt vele malen groter is dan gelijk welke andere. Namelijk meer dan 90% van de CO2 die uitgestoten wordt door de mensen is afkomstig door de verbranding van fossiele brandstoffen. Bij deze activiteit zorgt de mens er dus dat koolstof getransporteerd wordt van de ene ruimte naar een andere ruimte van de koolstofkringloop. Maar de ruimte van waar deze koolstof komt is uiteraard de lithosfeer. Dit is de ruimte voor langdurige opslag van koolstof en waar er nagenoeg bijna geen uitwisseling is met de andere ruimtes. De atmosfeer daarin tegen is eigenlijk het tegengestelde van de lithosfeer. Namelijk daar bevindt er zich slechts een beperkte hoeveelheid koolstof en deze is slechts kortstondig aanwezig doordat er veel uitwisseling is met andere ruimtes. Ook is deze ruimtes één van de gevoeligste voor veranderingen van de hoeveelheid koolstof.

Een van de ruimtes waarmee de atmosfeer koolstof uitwisselt is de biosfeer, namelijk door de planten die aan fotosynthese. Dus één van de mogelijkheden om het evenwicht tussen de binnenkomende en de uitgaande hoeveelheid koolstof te herstellen, kan er dus gewerkt worden met deze uitwisseling. Er zijn al heel wat pogingen geweest van mensen om koolstof uit de atmosfeer te halen en deze voor een relatief lange tijd te gaan opslaan. Maar geen enkele van deze waren zo efficiënt als het fotosynthese-proces van de planten. Planten of dus biomassa zijn dus uiterst geschikt als hulpmiddel om koolstof uit de atmosfeer te halen en op te slaan in de biosfeer. Daarnaast kunnen planten ook nog een nuttige taak vervullen voor de mens, namelijk ze kunnen dienen als grondstof voor energieproductie. Een studie door Christer Jansson, een wetenschapper van Lawrence Berkeley National Laboratory's Earth Science Division, toonde aan dat tegen 2050 er 5 tot 8 gigaton koolstof van de hoeveelheid koolstof die de mens in de atmosfeer loost, er terug uitgehaald kan worden door planten en bomen. Dit is uiteraard niet zomaar haalbaar, namelijk er zijn een aantal inspanning vereist. Eén van de vereisten is dat er genetisch gemanipuleerde soort ontwikkeld wordt die zowel ideaal is voor de opname van koolstof uit de atmosfeer als voor de rol als grondstof voor energieproductie.

Planten en bomen kunnen CO2 opnemen uit de lucht en deze gaan opslaan in hun biomassa. Het koolstof kan een aantal decennia tot zelfs eeuwen verblijven in de bladeren, takken, stam en wortels van deze planten en bomen. De koolstof die opgeslagen wordt in het ondergrondse wortel-systeem van de planten of bomen, zal hoogstwaarschijnlijk na zijn verblijf in de biomassa opgenomen worden in de grond. Eenmaal koolstof is opgenomen in de grond, dan blijft het daar voor een millennia lang. Dit wil zeggen dat planten en bomen niet alleen als een koolstof-neutrale energiebron kunnen fungeren, maar ook kunnen zijn koolstof uit de atmosfeer halen en gaan opslaan in de pedosfeer, een deelruimte van de lithosfeer. Op deze manier kan de CO2-uitstoot van ons jarenlange gebruik van fossiele brandstoffen deels gecompenseerd worden. Onderzoek heeft al reeds aangetoond dat het mogelijk is om plant soorten genetisch te ontwikkelen die verbeterde eigenschappen bevatten voor deze twee taken.

Maar ook is het niet noodzakelijk om te wachten op de ontwikkeling van deze plantensoorten, ook nu kan men planten en bomen inzetten om de CO2 uitstoot van de verbranding van fossiele brandstoffen te compenseren. Namelijk door het aanplanten van 'vaste planten soorten' die meerdere jaren leven. Vaste planten soorten zijn planten soorten die langer dan twee jaar leeft en deze planten zijn efficiënter in de ondergrondse opslag van koolstof dan planten die minder dan twee leven. Dit komt doordat planten die maar bijvoorbeeld maar één jaar leven, veel meer energie besteden aan de productie van zaden, stengels en bladeren dan dat ze besteden aan de productie van een wortel-systeem. Een plantensoort die bovengronds een grote hoeveelheid energie of voedsel kan produceren en ondergronds een grote hoeveelheid koolstof kan opslaan zou momenteel een uiterst welkom geschenk zijn, aangezien het huidige klimaatprobleem. Maar onderzoek naar de ontwikkeling van een dergelijke plantensoort staat nog in zijn kinderschoenen, dus het zal hoogstwaarschijnlijk nog een heel eind duren voor er een soort gevonden wordt en deze klaar is voor commercieel gebruik. Een eigenschap die ook zeer gewenst zou zijn bij deze plantensoort, is dat deze kan groeien op relatief onvruchtbare gronden en dat er geen grote hoeveelheid water voor nodig is of die kan groeien met brak-, zout-, afval-, grijswater. Zo kan concurrentie met voedingsgewassen voor de grond en zoetwater voorkomen worden.

De wetenschappers die hielpen met Christer Jansson aan de studie duiden er wel expliciet op dat planten niet mogelijk gezien worden als een oplossing die alle problemen omtrent de klimaatproblemen en het voedseltekort kan oplossen. Het is namelijk zo dat die gewenste eigenschappen voor deze plantensoort, ook onderling gelinkt zijn met elkaar. Daarom is het nog niet zeker dat deze wel allemaal samengaan in één plantensoort. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk dat in het geval dat men een plantensoort ontwikkeld die veel koolstof ondergronds kan opslaan, dat dit de mogelijkheid om bio-energie te produceren met het bovengrondse gedeelte van de plant wegneemt. Maar er is nog veel onderzoek nodig om inzicht te krijgen in dergelijke zaken. Er is wel een obstakel voor bio-energie die in de toekomst waarschijnlijk nog groter zal worden. Namelijk aangezien we in de komende jaren met steeds meer en meer gaan leven op deze planeet, zo'n 10 miljard mensen tegen 2100, zal er dus ook meer grond nodig zijn voor de productie van voedsel, woningen en dergelijke. Dus misschien zal er tegen dan niet voldoende plaats meer zijn voor de productie van biomassa voor bio-energie. Mensen willen namelijk eerst eten hebben en daarna pas bio-energie.

Geschreven door Emile Glorieux, Bron [americanscientific]