I vätets kretslopp har man länge vetat att marken fyller en viktig roll, och på senare år har forskarna blivit bättre på att förstå hur och varför det är så. Svaret kan också potentiellt ha en påverkan på klimatförändringarna.

Du känner förhoppningsvis till kolets kretslopp, men visste du att det även finns motsvarande kretslopp för andra grundämnen? De “stora” är kol, vatten, kväve och fosfor, men det finns även kretslopp för ämnen du kanske inte tänker på. Till exempel vätgas1.

Väte är det vanligaste grundämnet i universum: 75% av universums massa är väte, men i jordens atmosfär är den ovanlig. Faktum är att endast 0,00005% av jordens atmosfär är vätgas. Det har inte alltid varit så lite, men i och med att vätgas är en så oerhört lätt molekyl har den till stor del försvunnit ur i rymden, men mycket väte har också bundits i olika ämnen under de 4,5 miljarder år som jorden existerat2.

Vätets kretslopp

Det väte som finns i luften stannar kvar där relativt kort tid: mellan 1,4 till 2.1 år. Det kan tyckas länge, men kvävgas blir kvar över 10 miljoner år, och syrgas i tusentals eller tiotusentals år. Källorna till vätgas i luften är huvudsakligen vulkaniska och från mänsklig aktivitet1, medan den till större delen försvinner via biologisk förbrukning i markens ekosystem3. Eftersom det finns mer land på norra halvklotet är det faktiskt en aning mindre vätgas i atmosfären på norra halvklotet21.

Process Storlek (Tg/år)
Källor  
Fossila bränslen 11–15
Biobränslen 15–16
Fotokemisk kolväteoxidation 40–64
Bakteriell kväve-fixering 6–12
Totala källor 76–107
   
Upptag  
Hydroxylradikaloxidering 19
Biologiskt upptag i marken 56–88
Totalt upptag 75–107
   
  Tg: teragram, 1 biljon gram
  Källa: Greening et al 20152

En koppling till växthuseffekten

Vätet är en så kallad sekundär eller indirekt växthusgas, i och med att den inte i sig själv påverkar jordens värmestrålning till rymden, men däremot förhindrar att metan (en stark växthusgas) bryts ned. Processen är intressant: normalt bryts metan ned genom att reagera med en hydroxyl-radikal (·OH) i reaktionen

CH4 + ·OH → CH3 + H0

När det finns vätgas tillgängligt reagerar den däremot med hydroxyl-radikalen, och bildar vatten.

H2 + ·OH → H· + H2O

Tillgången på vätgas i atmosfären påverkar alltså den globala uppvärmningen. Som framgår av tabellen ovan ligger människan bakom i storleksordningen en dryg tredjedel av all vätgasproduktion i dagsläget, men om vi övergår till att i större utsträckning använda vätgas som bränsle kan utsläppen av vätgas öka, och därmed även klimatpåverkan. Och desto mer vi vet och förstår, desto större chans har vi att inte missa något när nya teknologier utvecklas.

Markens upptag av vätgas

Det finns två olika typer av system i marken som tar upp vätgas i markens ekosystem: de med låg och hög affinitet för vätgas (alltså de som är bra och mindre bra på att binda till vätgas). De med låg affinitet agerar enbart när koncentrationen av vätgas är hög, mycket högre än den som finns i atmosfären. De med hög affinitet för H2 var däremot både mer intressanta och svårare att isolera. Man har länge försökt att odla de bakterier som ligger bakom detta, men misslyckats. Detta är i och för sig inte anmärkningsvärt, de flesta bakterier kan vi inte odla i laboratoriet, men det gör det svårt att studera hur de tar upp vätgas. Dock lyckades en grupp forskare år 2008 isolera och odla en stam av bakterien Streptomyces sp. (som döptes till PCB7: man har senare hittat ytterligare 6 stammar med liknande förmåga) som kunde ta upp vätgas i mycket små koncentrationer. Man testade även att tillsätta bakterien till steril jord, och denna band därefter vätgas på samma vis som man såg i naturen.

Fysiologin bakom vätgasens oxidation

Dessa bakterier använder en variant av en grupp enzymer som kallas för [NiFe]-hydrogenas, som är anmärkningsvärda för att de till förvånansvärd grad är okänsliga för temperatur (de är aktiva upp till 80 C och ned till enstaka plusgrader) och även förändringar i pH. Detta passar väl in på ett system som skall försörja cellen med energi under extremt tuffa förhållanden: så länger det finns luft finns det vätgas. Ännu är det senare inte helt verifierat, men det är en rimlig förklaring som matchar de data som finns.

Det som fascinerar mig mest med detta är att det är ännu ett exempel på hur otroligt “uppfinningsrik” evolutionen är, och hur oerhört bra den är på att optimera. En gas som knappt finns i atmosfären, som dock är en av de mer energirika bränslena (tänk på knallgasen på skolans kemilaborationer), utnyttjas av bakterier som ibland inte har några andra energikällor.


Källor

  1. Ehhalt, D. H. & Rohrer, F. The tropospheric cycle of H2: a critical review Tellus B: Chemical and Physical Meteorology, Taylor & Francis, 2009, 61, 500-535  2 3

  2. Greening, C.; Constant, P.; Hards, K.; Morales, S. E.; Oakeshott, J. G.; Russell, R. J.; Taylor, M. C.; Berney, M.; Conrad, R. & Cook, G. M. Atmospheric Hydrogen Scavenging: from Enzymes to Ecosystems Applied and Environmental Microbiology, American Society for Microbiology, 2015, 81, 1190-1199. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4309691/  2 3

  3. Rhee, T.; Brenninkmeijer, C. & Röckmann, T. The overwhelming role of soils in the global atmospheric hydrogen cycle Atmospheric chemistry and physics, Copernicus GmbH, 2006, 6, 1611-1625