Nguồn khí metan trong ánh sáng

Thực vật tích trữ một loại khí nhà kính, và lại giải phóng một loại khác. Trong khi chúng giữ lại khí cacbonic, chúng giải phóng khí metan mặc dù với một lượng nhỏ. Điều này đã được các nhà khoa học thuộc học viện hóa học Max Planck, đại học Utrecht cùng với Học viện thức ăn nông nghiệp và sinh học (Belfast) khẳng định.

Trong hai nghiên cứu mới, họ cũng đã xác minh rằng một số loại khí nhà kính có nguồn gốc từ pectin, một chất mà thực vật sử dụng để tạo nên cấu trúc nâng đỡ của mình. Nghiên cứu đồng thời phát hiện tia UV làm tăng sản lượng metan. Điều này đồng thời giải thích tại sao các nhà nghiên cứu không thể tìm thấy metan thực vật do họ trồng cây dưới những nguồn sáng không phát ra tia UV. (Tờ New Phytologist, ngày 9 tháng 5 năm 2008; Tờ Biogeosciences)

Hai năm trước, tuyên bố của họ tạo nên một sự khuấy động: Frank Keppler và các đồng nghiệp thuộc học viện vật lý hạt nhân Max Planck (Heidelberg) lần đầu tiên quan sát thấy thực vật giải phóng metan vào không khí. Điều này có nghĩa rằng trong điều kiện không khí thông thường vi khuẩn cũng không thể tạo ra bong bóng khí metan như ở đầm lầy. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng thực vật đóng góp một phần đáng kể metan trong bầu khí quyển.

Tranh luận gay gắt đã diễn ra không chỉ xung quanh ý nghĩa toàn cầu của quá trình giải phóng metan từ thực vật. Nhiều nhà nghiên cứu thậm chí nghi ngờ liệu có đúng là thực vật giải phóng metan hay không trong khi nó là khí nhà kính có hại đối với môi trường gấp 25 lần so với khí cacbonic. Tuy nhiên, Frank Keppler, lúc đó đang thực hiện nghiên cứu tại học viện hóa học Max Planck, cùng các đồng nghiệp đưa ra những bằng chứng từ thí nghiệm cụ thể chứng minh thực vật quả thực giải phóng khí metan với một lượng lớn khi được chiếu tia UV.

Mới đây, Tom Dueck - nhà khoa học thuộc đại học Wageningen tại Hà Lan, đã thừa nhận giá trị phát kiến của Keppler. Điều này khiến Keppler hết sức hài lòng. Dueck đã từng nghi ngờ phát hiện của Keppler do ông và các đồng nghiệp đã không thể tạo ra khí nhà kính metan. Tuy nhiên, đó là do họ trồng cây trong nhà kính dưới ánh sáng nhân tạo không chứa tia UV.

Nguồn khí metan trong ánh nắng mặt trời: Thực vật tạo nên khí nhà kính dưới tia UV - một phần của ánh nắng mặt trời. Một lượng lớn khí nhà kính được giải phóng từ pectin – polime sinh học tạo nên cấu trúc nâng đỡ của hoa và lá. (Ảnh: Frank Keppler)

Frank Keppler và các đồng nghiệp, một số làm việc tại đại học Utrecht, đã kiểm tra cả nguyên liệu tươi và khô từ 20 loại thực vật khác nhau. Keppler cho biết: “Lần này, chúng tôi chủ động chỉ sử dụng một số bộ phận của thực vật như lá, vì rất có khả năng có những quá trình diễn ra trong đời sống của thực vật làm cho kết quả bị sai lệch. Nhóm thực vật thí nghiệm đầu tiên được chiếu tia UV. Cùng lúc nhóm khác được làm nóng đến 100^o C còn nhóm thứ ba được theo dõi trong môi trường nhiệt độ từ 20 đến 100º C."

Trong quá trình này, các nhà khoa học đã xác định được rằng không phải tất cả các thực vật đều giải phóng cùng một lượng khí metan. Tuy nhiên, nguồn chiếu sáng có năng lượng càng mạnh thì càng nhiều khí nhà kính được giải phóng. Lượng khí thoát ra đạt mức cao hơn khi nhiệt độ đồng thời được đẩy cao. Nếu không chiếu tia UV và nhiệt độ dưới 22º C, thực vật giải phóng khí metan tỉ lệ ít hơn từ 100 đến 1000 lần.

Từ 80º C, nồng độ giải phóng tăng lên ngang bằng khi đặt dưới tia UV. Thêm vào đó, sức nóng khiến khí metan được giải phóng ít hơn khi các nhà khoa học làm nóng rồi làm mát thực vật vài lần kế tiếp nhau. Tuy nhiên, nếu bật đèn chiếu tia UV trên một mẫu vật vài lần, lượng metan tỏa ra luôn bằng nhau. Keppler nhận định: “Tia UV rõ ràng sử dụng một cơ chế phản ứng khác với nhiệt độ để giải phóng chất khí này.”

Một thành phần mà từ đó tia UV tạo ra metan trong quá trình quang hóa là pectin – một loại polisaccarit mà nhiều loài thực vật sử dụng với vai trò vật liệu cấu trúc. Nó bao gồm một số nhóm methoxyl mang cấu trúc hóa học chưa hoàn thiện của khí metan. Các nhà khoa học phát hiện thấy những chỉ dẫn về việc khí metan được tạo thành từ đâu trong những nghiên cứu cách đây 2 năm. Hiện tại, trong một nghiên cứu sử dụng đồng vị, họ đã chứng minh một cách dứt khoát rằng cơ chế này có tồn tại. Họ thay thế nguyên tử hyđrô trong nhóm bằng đơteri – một loại hyđrô đặc – và đã tìm thấy đơteri trong metan.

Tuy nhiên, không phải metan chỉ có thể được tạo thành bằng phương thức này vì trong thí nghiệm với tia UV, metan cũng có thể tạo thành mà không cần đơteri. Thực tế, xenluloza cũng tạo ra metan dưới tia UV, mặc dù không nhiều bằng pectin. Không giống với pectin, xenluloza không có nhóm methoxyl. Frank Keppler cho biết: “Tại thời điểm hiện tại chúng tôi không nắm được về cơ chế thứ hai. Bởi vì cho đến nay chúng tôi mới chỉ tìm hiểu được một số quá trình liên quan đến quá trình thực vật giải phóng khí metan. Việc tìm hiểu trên quy mô toàn cầu là rất khó khăn”.

Ấn phẩm tham khảo

Frank Keppler, John T.G. Hamilton, W. Colin McRoberts, Ivan Vigano, Marc Braß và Thomas Röckmann - Nhóm methoxyl trong pectin thực vật là tiền thân của metan trong khí quyển: bằng chứng từ nghiên cứu về đơteri; Tờ New Phytologist, ngày 9 tháng 5 năm 2008.

Ivan Vigano, Huib van Weelden, Rupert Holzinger, Frank Keppler, Andy McLeod và Thomas Röckmann - Ảnh hưởng của tia UV và nhiệt độ đối với quá trình giải phóng metan từ thực vật sinh khối và các thành phần cấu trúc – Tờ Biogeosciences.