Wichtige neue Quelle für Oxidation in der Atmosphäre gefunden

Shantou/Turin/Leipzig. Hydroperoxide sind starke Oxidationsmittel, die erheblichen Einfluss auf die chemischen Prozesse in der Atmosphäre haben. Jetzt konnte ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) zeigen, dass sich diese Substanzen auch mit Sonnenlicht aus α-Ketosäuren wie der Brenztraubensäure in Wolken, Regen und Aerosolwasser bilden. Diese Reaktionen könnten für 5 bis 15 Prozent des beobachteten atmosphärischen Wasserstoffperoxids (H₂O₂) in wässriger Phase verantwortlich sein. Damit sei jetzt mit der Photolyse von α-Ketosäuren eine weitere wichtige Quelle für atmosphärische Oxidationsmittel gefunden, schreiben die Forschenden in Science Advances, dem Open-Access-Journal des renommierten Wissenschaftsjournals SCIENCE. Da diese Oxidationsprozesse sowohl Bildung als auch Abbau von Partikeln und Luftschadstoffen beeinflussen, hat der neu entdeckte Reaktionsweg große Bedeutung für die Luftqualität und die Klimaprognosen.

Der Schlüssel zu dieser Entdeckung sind α-Ketosäuren. Das sind Carbonsäuren, die eine zusätzliche sog. Ketogruppe mit einem Kohlenstoffatom und einem doppelt gebundenen Sauerstoffatom enthalten. Die α-Ketosäuren kommen über verschiedene Reaktionen in die Atmosphäre aus einer Vielzahl von Vorläufergasen wie Isopren, Aromaten oder Acetylen, die biogen oder anthropogen sein können – also sowohl aus der Vegetation als auch aus der Industrie stammen. Sie sind weit verbreitet und spielen eine grundlegende Rolle für das Leben auf der Erde, zum Beispiel in der Biochemie beim Aminosäurestoffwechsel in den Zellen. Ihre Bedeutung für die Atmosphäre und das globale Klima wurde dagegen bisher eher unterschätzt. Anhand von drei α-Ketosäuren (Glyoxylsäure, Brenztraubensäure und 2-Ketobuttersäure) konnte die Forschenden in Laborexperimenten und Modellrechnungen nun nachweisen, dass diese Substanzen zusammen mit Licht an der Bildung von Hydroperoxiden beteiligt sind, die wiederum Wasserstoffperoxid entstehen lassen. Diese Prozesse laufen in der atmosphärischen Flüssigphase ab - also in wasserhaltigen Partikeln.

An der Studie waren Forschende der Chinese Academy of Sciences (Guangzhou), des Guangdong Technion - Israel Institute of Technology, des Weizmann Institute of Science, der Fudan University (Shanghai), der University of Chinese Academy of Sciences, (Beijing), der Kunming University of Science and Technology, der Università di Torino, der Shandong University (Qingdao) und des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) beteiligt. Eine wichtige Rolle bei der Kooperation spielten drei Experten für photochemische Prozesse in den Flüssigkeiten der Atmosphäre: Sasho Gligorovski, der seine Doktorarbeit vor 20 Jahren am TROPOS in Leipzig schrieb, dann in Frankreich forschte, Professor am Guangzhou Institute of Geochemistry der Chinesischen Akademie der Wissenschaften wurde und seit 2025 am Chinesisch-Israelischen Joint Venture Guangdong Technion - Israel Institute of Technology (GTIIT) forscht. Davide Vione, Professor an der Universität Turin. Und Prof. Hartmut Herrmann, der seit 1998 am TROPOS und der Universität Leipzig zum troposphärischen Multiphasensystem forscht sowie seit 2018 auch an der Shandong Universität und seit 2019 an der Fudan-Universität in Shanghai.

Die Atmosphärenchemie von TROPOS in Leipzig nutzte die Labordaten aus Shanghai und Turin in ihrem Flüssigphasenmodell CAPRAM (Chemical Aqueous Phase Radical Mechanism), um die atmosphärischen Auswirkungen der Laborergebnisse zu bewerten und Hochrechnungen zu machen. Das CAPRAM-Modell wurde über Jahre so verfeinert, dass es die sehr komplexen Reaktionsketten abbilden kann und die neuen Erkenntnisse aus den Laborexperimenten nun als weitere Rückkopplungen eingearbeitet werden können.

„Diese Arbeit liefert den ersten quantitativen Rahmen für die Bildung von Hydroperoxiden aus α-Ketosäuren und klärt die für Atmosphärenmodelle entscheidenden pH- und Konzentrationsabhängigkeiten. Durch die internationale Kooperation gelang es, ein weiteres Puzzlestück in der sehr komplexen Multiphasen-Atmosphärenchemie zu finden“, erläutert Prof. Hartmut Herrmann vom TROPOS und der Shandong University Qingdao.

Die jetzt veröffentlichte Studie liefert erste Ansätze, zeigt aber auch die Wissenslücken auf:  So fehlen zum Beispiel systematische Feldmessungen der Konzentrationen von α-Ketosäuren in Aerosolen und Wolkenwasser in verschiedenen Umgebungen, um diese Mechanismen in Klimamodelle einbauen zu können. Solche Studien würden helfen, das globale Budget von Hydroperoxiden in der Atmosphäre besser abzuschätzen sowie deren Rolle bei der Partikelbildung in wässriger Phase und der Sulfatproduktion. Tilo Arnhold