Leaf level VOC emissions of single plants from Amazonian and Mediterranean ecosystems : Ontogeny and flooding as stress factor for VOC emissions

Die Vegetation ist die wichtigste Quelle von organischen flüchtigen Verbindungen (auf Englisch volatile organic compounds,VOCs), die einen bemerkenswerten Einfluss auf der Chemie und Physik der Atmosphäre haben. VOCs beeinflussen die oxidative Kapazität der Atmosphäre und tragen zu der Bildung und zum Wachstum von sekundären organischen Aerosolen bei, welche einerseits eine Streuung und Reflektierung der Energie verursachen und andererseits sich an der Bildung und Entwicklung von Wolken beteiligen. Ziel dieser Arbeit war die Beschreibung und der Vergleich von VOC Emissionen aus Pflanzen aus zwei verschiedenen Ökosystemen: Mediterranes Ökosystem und Tropisches Ökosystem. Für diese Aufgabe wurden gewöhnliche Pflanzen von beiden Ökosystemen untersucht. Siebzehn Pflanzenspezies aus der Mittelmeergebiet, welches bekannt ist für seine Vielfalt an VOC emittierenden Pflanzen, wurden in die Untersuchungen einbezogen. Im Gegensatz zum mediterranen Ökosystem sind nur wenig Information verfügbar über VOC Emissionen aus Blättern tropischer Baumspezies. Vor diesem Hintergrund wurden sechsundzwanzig Baumspezies aus verschiedenen Ökotypen des Amazonasbeckens (Terra firme, Várzea und Igapó) wurden auf VOC Emissionen auf Blattebene mit einem Küvetten-System untersucht. Analysen von flüchtigen organischen Verbindungen wurden online mit PTR-MS und offline mittels Sammlung auf entsprechenden Adsorbern (Kartuschen) und nachfolgender GC-FID Analyse untersucht. Die höchsten Emissionen wurden für Isoprene beobachtete, gefolgt durch Monoterpene, Methanol und Aceton. Die meisten Mittelmeer Spezies emittierten eine hohe Vielfalt an Monoterpenspezies, hingegen zeigten nur fünf tropische Pflanzenspezies eine Monoterpene mit einen sehr konservativen Emissionsprofil (α-Pinen>Limonen>Sabinen >ß-Pinen). Mittelmeerpflanzen zeigten zusätzlich Emissionen von Sesquiterpenen, während bei der Pflanzen des Amazonas Beckens keine Sesquiterpenemissionen gefunden wurden. Dieser letzte Befund könnte aber auch durch eine niedrigere Sensitivität des Messsystems während der Arbeiten im Amazonasgebiet erklärt werden. Zusätzlich zu den Isoprenoidemissionen waren Methanolemissionen als Indikator für Wachtumsvorgänge sehr verbreitet in den meisten Pflanzenspezies aus tropischen und mediterranen Gebieten. Einige Pflanzenspezies beider Ökosystemen zeigten Acetonemissionen. rnrnVOC Emissionen werde durch eine große Vielfalt an biotischen und abiotischen Faktoren wie Lichtintensität, Temperatur, CO2 und Trockenheit beeinflusst. Ein anderer, öfter übersehener Faktor, der aber sehr wichtig ist für das Amazonas Becken, ist die regelmäßige Überflutung. In dieser Untersuchung wir fanden heraus, dass am Anfang einer Wurzelanoxie, die durch die Überflutung verursacht wurde, Ethanol und Acetaldehyd emittiert werden können, vor allem in Pflanzenspezies, die schlechter an eine unzureichende Sauerstoffversorgung bei Flutung adaptiert sind, wie z.B. Vatairea guianensis. Die Spezies Hevea spruceana, welche besser an Überflutung adaptiert ist, könnte möglicherweise der gebildete Ethanol sofort remetabolisieren ohne es zu emittieren. Nach einer langen Periode einer Überflutung konnte allerdings keine Emission mehr beobachtet werden, was auf eine vollständige Adaptation mit zunehmender Dauer schließen lässt. Als Reaktion auf den ausgelösten Stress können Isoprenoidemissionen ebenfalls kurzfristig nach einigen Tage an Überflutung zunehmen, fallen dann aber dann nach einer langen Periode zusammen mit der Photosynthese, Transpiration und stomatäre Leitfähigkeit deutlich ab.rnrnPflanzen Ontogenese ist anscheinend von Bedeutung für die Qualität und Quantität von VOC Emissionen. Aus diesem Grund wurden junge und erwachsene Blätter einiger gut charakterisierten Pflanzen Spezies aus dem Mittelmeerraum auf VOC Emissionen untersucht. Standard Emissionsfaktoren von Isopren waren niedriger in jungen Blättern als in erwachsene Blätter. Hingegen wurden höhere Monoterpen- und Sesquiterpenemissionen in jungen Blätter einiger Pflanzenspezies gefunden. Dieser Befund deutet auf eine potentielle Rolle dieser VOCs als Abwehrkomponenten gegen Pflanzenfresser oder Pathogene bei jungen Blätter hin. In einigen Fällen variierte auch die Zusammensetzung der Monoterpen- und Sesquiterpenspezies bei jungen und erwachsenen Blättern. Methanolemissionen waren, wie erwartet, höher in jungen Blättern als in ausgewachsenen Blättern, was mit der Demethylierung von Pectin bei der Zellwandreifung erklärt werden kann. Diese Befunde zu Änderungen der Emissionskapazität der Vegetation können für zukünftige Modellierungen herangezogen werden. rnTerrestrial vegetation is the most important source of atmospheric volatile organic compounds (VOC) with significant influence on the chemistry and physics of the atmosphere. VOC influence the oxidative capacity of the atmosphere and contribute to the formation and growth of secondary organic aerosols affecting scatter and reflectance of energy as well as cloud development and precipitation. The aim of this work was to achieve a description and comparison of VOC emission from tropical and Mediterranean vegetation. For this task common plant species of both ecosystems were investigated. Sixteen plant species from the Mediterranean area, which is known for its special diversity in VOC emitting plant species, were chosen. In contrast, little information is currently available regarding emissions of VOCs from tropical tree species at leaf level; twenty-six tree species from different environments of the Amazon basin, i.e.Terra firme, Várzea and Igapó, were screened for VOCs emission at leaf level with a branch enclosure system. Analysis of volatile organics was performed online by PTR-MS and offline by collection on adsorbent tubes and subsequent GC-FID analysis. Isoprene was quantitatively the most dominant emitted compound followed by monoterpenes, methanol and acetone. Most of the Mediterranean species emitted a variety of monoterpenes whereas only five tropical species were monoterpene emitters conserving a quite conservative emission pattern (α-pinene>limonene>sabinene >ß-pinene). Mediterranean plants showed additionally emissions of sesquiterpenes, whereas in the Amazon region no sesquiterpenes were detected probably due to lack of sensitivity of the measuring systems. On the other hand, methanol emissions were common in most of the tropical and Mediterranean species as an indicator of growth, and a few species from both ecosystems showed acetone emissions. rnrnA variety of biotic and abiotic factors affect VOC emissions, such as light intensity, temperature, CO2 and drought. Another, usually overlooked stress factor, and very important for the Amazon region, is flooding. In this study we found out that at the beginning of root anoxia due to inundation, emissions of ethanol and acetaldehyde can be detected, especially in less anoxia adapted species such as Vatairea guianensis. The better adapted species Hevea spruceana could probably directly remetabolize the formed ethanol, without emitting it. After long periods of inundation a total adaptation to flooding could be assumed in those cases where no ethanol or/and acetaldehyde emissions were detected any more. On the other hand, isoprenoid emissions can shortly increase after some days of flooding but then after a long period of waterlogging emissions tend to decrease considerably, as well as photosynthesis, transpiration and stomatal conductance. rnrnPlant ontogeny also seems to be of importance for the VOC emission in terms of quality and quantity. Therefore, VOC emissions of young and mature leaves of principally already well characterized plant species from the Mediterranean area were studied in detail for VOC emissions. Standard emission factors of isoprene were lower in young leaves than in mature leaves. Contrasting, higher monoterpene and sesquiterpene emissions were found in case of several plant species, indicating a potential role for these VOC species as defense compounds against herbivores or pathogens during the youth period. Monoterpene and sesquiterpene species composition varied also in some cases with maturity. On the other hand, methanol emissions were, as expected, higher in young leaves than in mature leaves, corroborating the theory that methanol is the product of demethylation of pectine by cell wall maturation. These changes in emission capacity of vegetation can be accounted for in future model estimates r