Laut einem Forscher der West Virginia University könnten die Suche nach nachhaltiger Bioenergie und Lösungen für den Klimawandel ein und dasselbe sein.
Edward Brzostek, außerordentlicher Professor für Biologie, und seine Studenten am WVU Eberly College of Arts and Sciences erstellen mithilfe eines erneuten fünfjährigen Zuschusses des US-Energieministeriums mathematische Modelle, um vorherzusagen, wie Bioenergiepflanzen den Kohlenstoff im Boden verbessern und speichern werden.
Brzostek sagte, er glaube, dass die Modelle eine „Win-Win-Situation“ darstellen könnten, die nicht nur den Kohlenstoffgehalt im Boden verbessert, sondern auch erneuerbare Bioenergie aus biologischen Quellen fördert. Dazu gehören Biokraftstoffe wie Mais-Ethanol und mehrjährige Gräser.
Bodenmikroben in Brzosteks Modell bestimmen, wie Pflanzen in Zukunft Kohlenstoff speichern oder verlieren könnten. Das ist etwas, was aktuelle Modelle nicht berücksichtigt haben.
„Unser Modell kann vorhersagen, ob eine Bioenergiepflanze einen Netto-Kohlenstoffvorteil bringt oder tatsächlich zu Kohlenstoffverlusten führt“, sagte er. Zu den Variablen gehört, ob lebende Wurzeln den Kohlenstoffgehalt im Boden erhöhen oder verringern und wie sich die Prozesse je nach Tiefe und unterschiedlichen Rohstoffen unterscheiden.
Natürliche Klimalösungen wie die regenerative Landwirtschaft können dazu beitragen, die Auswirkungen des Klimawandels abzumildern. Das Ziel von Brzostek besteht darin, den effizientesten Weg zu finden, um das Wachstum von Biokraftstoffquellen zu fördern und gleichzeitig die Umwelt zu reinigen.
„Dafür brauchen wir keine neue Technologie“, sagte er. „Es ist eine der wenigen Möglichkeiten, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen. Der heilige Gral von Bioenergiepflanzen besteht darin, Produkte oder Kraftstoffe herzustellen und gleichzeitig mehr Kohlenstoff im Ökosystem zu speichern. Wenn Sie einen Biokraftstoff anbauen können, der den Kohlenstoffgehalt des Bodens erhöht, Das ist eine Win-Win-Situation.“
Die Aufnahme und Speicherung von Kohlenstoff ist für Pflanzen eine natürliche Aufgabe, die ihn durch Photosynthese aufnimmt. Wenn die Pflanze stirbt, verbleiben die Laubstreu und das abgestorbene Wurzelmaterial im Boden. Von dort aus gehen verschiedene Einheiten an die Arbeit an der zerfallenden Materie, von der der überwiegende Teil durch Bakterien und Pilze zersetzt wird. Wenn sie sterben, verbleiben ihre Nebenprodukte – einschließlich Kohlenstoff – im Boden.
„Es ist wie ein mikrobieller Trichter“, sagte Brzostek. „Und viele der Fragen, die wir zur Kohlenstoffspeicherung im Boden, zur landwirtschaftlichen Bewirtschaftung und zur Vorhersage von Kohlenstoff im Boden für die Zukunft stellen, sind für jedes Ökosystem von Bedeutung. Es handelt sich um grundlegende Fragen der Ökologie, die wichtig sind, um zu verstehen, ob unsere Ökosysteme den Kohlenstoff speichern können.“ Kohlenstoff, den sie haben, und möglicherweise mehr aufnehmen.
Das Forschungsteam untersucht auch, wie Pflanzen sich selbst helfen.
„Es wächst die Idee, dass Pflanzen ihre Bodenumgebung verändern können, indem sie Dinge mit ihren Wurzeln tun“, sagte er. „Sie können aus ihren Wurzeln Kohlenstoff abgeben, der die Mikroben ernährt. Das macht die Mikroben glücklich. Sie bauen den Kohlenstoff im Boden ab und geben der Pflanze dann Stickstoff zurück, den sie zum Wachsen benötigt.“
Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass Miscanthus-Wurzeln den Stickstoff aus der Laubstreu abbauen können, ohne dass dabei Kohlenstoff verloren geht.
Die Mikroben spielen dabei eine wesentliche Rolle. Glücklicherweise sind sie allgegenwärtig.
„Wenn man in West Virginia in den Wald geht, fressen die Mikroben alles“, sagte Brzostek. „Wenn das nicht der Fall wäre, würdest du in Laubstreu ertrinken.“
Seine Forschung wird im Rahmen des Center of Advanced Biofuels and Bioproducts Innovation durchgeführt, das 2017 vom US-Energieministerium gegründet wurde. CABBI mit Hauptsitz an der University of Illinois bringt 20 Partnerinstitutionen, Universitäten und nationale Labore zusammen, um nachhaltige Bioprodukte aus Bioenergiepflanzen zu erforschen.
Die Dekarbonisierung der Wirtschaft ist kompliziert. Wind-, Solar- und Atomenergie sind erneuerbar, aber einige Branchen – wie die Luftfahrt – können nicht dekarbonisiert werden.
„Bioenergie kann eine Rolle in der neuen Bioökonomie spielen“, sagte Brzostek. „Wir sprechen über Bioenergieraffinerien und -anlagen, die aus einigen Bioenergiepflanzen Energie erzeugen könnten. Sie würden das Kohlendioxid einfangen und in den Untergrund pumpen. Das könnte zu einer neuen grünen Industrie in weiten Teilen der vom Regen gespeisten Vereinigten Staaten führen, wo man das kann.“ diese Dinge anbauen.
Zu den WVU-Studenten und Postdoktoranden, die Brzostek bei der Forschung unterstützen, gehören Joanna Ridgeway, Zoe Pagliaro, Dominick Cifelli, Jessica Burke, Noah Wauls und Stephanie Juice.