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Bonn University scientists detect leaf water removal by tiny deposits
Particulate matter deposits on leaves increase plant transpiration and the risk of plants suffering from drought. Particulate matter could thus be contributing more strongly to tree mortality and forest decline than previously assumed. This is suggested by results from a greenhouse study led by the university of Bonn, in which tree seedlings grown in almost particulate matter free air or in unfiltered air were compared. The results are now being published in “Environmental Research Letters”.
The impact of particulate matter on human health has gained widespread attention, but little is known about the effects that fine particulates can have on plants. The phenomenon of forest damage after dry years has been found to be accelerating globally, as has been reported from the southwestern USA and more recently from Africa, where large baobab trees are declining. “There have been different explanations for these regional events, but a comprehensive explanation is still missing”, says Dr. Juergen Burkhardt from the Institute of Crop Science and Resource Conservation (INRES) of Bonn University.
Tiny pores in the leaves, the stomata, are the gatekeepers that regulate how much water vapor is released to the atmosphere. But stomata also admit carbon dioxide, which is essential for photosynthetic production of energy storing sugars. This causes a dilemma for plants, between thirst and starvation: Closing the stomata saves water but restricts the uptake of carbon dioxide. Vice versa, open pores allow carbon dioxide to enter, but at the cost of increased water loss. Burkhardt: “Plants have adapted stomatal regulation to prevailing ambient conditions over evolutionary timescales, but particulate matter concentrations were generally much lower than they are today”.
Trees transpire less in filtered air
Together with colleagues from the Centre of Ecology and Hydrology in Edinburgh (UK), the Meteorological and Hydrological Service in Zagreb (Croatia) and the University of California at Riverside (USA), scientists from Bonn University have found that particulate matter affects stomatal regulation. They showed that Scots pine, Silver fir, and Common oak seedlings that had been grown in greenhouses with filtered, almost particle-free, air released less water than seedlings grown in greenhouses exposed to the ambient, moderately polluted air of Bonn city. This observation even applied when stomata were completely closed.
In a recently published study from the same research group, plants grown in filtered air transpired less than plants in ambient air, despite having the same stomatal aperture. “Thus, the deposition of particulate matter increases foliar transpiration”, Burkhardt sums up. “These experiments point to a direct, but so far missing, link between air pollution and drought vulnerability”.
A major part of atmospheric particulate matter is hygroscopic, encouraging humidity in the air to condense. On leaf surfaces, the resulting liquid water can also be formed from transpired water vapor and hygroscopic particulate matter. “These are tiny amounts of water, however, invisible to the naked eye”, says Burkhardt, “and rather than being pure water, they are highly concentrated salt solutions”.
The salt solutions may eventually creep into the stomata as liquid films, forming very thin, but continuous liquid water connections between the leaf interior and the surface. These may then act as a wick that carries water through the stomatal pores to the outside of the leaf. Burkhardt: “The stomata partially lose control of transpiration and plants become more at risk from drought”.
Particulate matter is difficult to detect on leaves
In the electron microscope, the salt solutions appear as crusts, present in ambient air but missing on seedlings from filtered air. “Such crusts have been observed on damaged trees in the past, and the phenomenon was then named ‘wax degradation’, but its origin has remained elusive”, says Burkhardt. “Particulate matter, which is usually imagined as small granules, has not been considered a contributing factor,” says the Bonn University scientist.
The study was funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) and the European Union.
Publication: Burkhardt, J., Zinsmeister, D., Grantz, D. A., Vidic, S., Sutton, M. A., Hunsche, M., Pariyar, S.: Camouflaged as ‘degraded wax’: hygroscopic aerosols contribute to leaf desiccation, tree mortality, and forest decline. Environmental Research Letters, https://doi.org/10.1088/1748-9326/aad346
Source: Press release Universität Bonn, 16.07.2018[:de]
Forscher der Universität Bonn weisen nach, dass winzige Ablagerungen den Blättern Wasser entziehen
Feinstaubablagerungen steigern das Risiko, dass Pflanzen Trockenschäden erleiden – denn der Staub steigert die Verdunstung. Deshalb sind die feinen Ablagerungen vermutlich mehr an Waldschäden beteiligt als bislang angenommen. Belege dafür liefert eine Gewächshausstudie der Universität Bonn, bei der Bäume in annähernd partikelfreier Atmosphäre mit solchen in ungefilterter Luft verglichen wurden. Die Ergebnisse sind nun im Journal „Environmental Research Letters“ erschienen.
Das Thema Feinstaub und Gesundheit des Menschen ist in aller Munde, doch dass die feinen Partikel auch Auswirkungen auf die Pflanzenwelt haben, ist kaum bekannt. Nach trockenen Jahren häufen sich die Schäden an den Wäldern. Dieses Phänomen hat sich weltweit verstärkt; so wird es seit einigen Jahren im Südwesten der USA und zuletzt auch beim Sterben der Affenbrotbäume in Afrika beobachtet. „Zu jedem dieser großflächig auftretenden Phänomene gab es bereits eine Vielzahl von Erklärungsversuchen, ein übergreifender Befund zu den Ursachen liegt bislang jedoch nicht vor“, sagt Privatdozent Dr. Jürgen Burkhardt vom Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES) der Universität Bonn.
Pflanzen regulieren mit ihren Spaltöffnungen, das sind winzige Poren in den Blättern, wie viel Wasser aus dem Blatt verdunstet. Gleichzeitig brauchen sie diese „Schleusen“, um das lebenswichtige Kohlendioxid aufzunehmen, aus dem sie mithilfe der Fotosynthese Zucker als universellen Energielieferanten herstellen. Zugespitzt haben die Pflanzen die Wahl zwischen Verhungern und Verdursten: Schließen sie die Spaltöffnungen komplett, verlieren sie durch Verdunstung kaum noch Wasser, können aber auch kein Kohlendioxid mehr aufnehmen. Umgekehrt ermöglichen weit geöffnete Poren das Einströmen des Kohlendioxids, der Preis dafür ist aber ein großer Wasserverlust. Burkhardt: „Pflanzen haben die Regelung der Spaltöffnungen im Lauf der Evolution an die Umgebungsbedingungen angepasst, allerdings in einer Zeit mit deutlich weniger Feinstaub als heute.“
In gefilterter Luft verdunsten die Bäume weniger Wasser
Die Wissenschaftler der Universität Bonn haben nun mit Kollegen des Centre of Ecology and Hydrology in Edinburgh (Schottland), des Meteorological and Hydrological Service in Zagreb (Kroatien) und der University of California at Riverside (USA) herausgefunden, dass Feinstaub diese Regelung beeinflusst. Sie konnten zeigen, dass Kiefern, Weißtannen und Stieleichen, die in Gewächshäusern mit gefilterter und daher fast feinstaubfreier Luft gediehen, weniger Wasser verdunsteten als solche, die in der mäßig verschmutzten Bonner Stadtluft aufwuchsen. Dies galt sogar für den Zustand, wenn die Spaltöffnungen vollkommen geschlossen waren.
Eine kürzlich erschienene Studie der gleichen Forschungsgruppe hatte bereits gezeigt, dass Pflanzen aus gefilterter Luft bei gleicher Spaltöffnungsweite generell weniger transpirierten als Pflanzen aus normaler Umgebungsluft. „Abgelagerter Feinstaub auf Blättern erhöht also die Verdunstung“, fasst Burkhardt zusammen. „Die Experimente stellen den bislang fehlenden, direkten Zusammenhang zwischen Luftverschmutzung und Trockenheitsanfälligkeit von Bäumen her.“
Ein großer Teil des atmosphärischen Feinstaubs ist hygroskopisch, bindet also Feuchtigkeit aus der Umgebung. Lagert sich hygroskopischer Feinstaub auf Pflanzen ab, so bildet sich zusammen mit transpiriertem Wasserdampf flüssiges Wasser. „Allerdings sind die Wassermengen so gering, dass dies mit bloßem Auge nicht erkennbar ist“, sagt Burkhardt. „Es handelt sich auch eher um konzentrierte Salzlösungen als um Wasser.“
Diese Salzlösungen kriechen als dünne Filme in die Spaltöffnungen. Hierbei entsteht eine durchgängige, sehr dünne Flüssigwasserverbindung zwischen Blattinnerem und Blattoberfläche, die als Docht wirken kann. Burkhardt: „Die Spaltöffnungen verlieren damit einen Teil der Kontrolle über die Verdunstung, und die Pflanzen sind stärker von Trockenheit bedroht.“
Feinstaub auf Blättern schlecht erkennbar
Im Vakuum der Elektronenmikroskope erscheinen die Salzlösungen als Krusten – diese fehlten bei den in partikelfreier Luft gewachsenen Bäumen. „Das Erscheinungsbild der Salzkrusten kennt man von geschädigten Bäumen. Es wurde bisher stets als ‘Wachsverschmelzung‘ bezeichnet, ohne dass man eine schlüssige Erklärung dafür fand“, sagt Burkhardt. „Feinstaub aber wurde als Ursache nicht wirklich in Erwägung gezogen, da man ihn sich eher als kleine Körnchen vorstellt“, sagt der Wissenschaftler der Universität Bonn.
Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Europäischen Union gefördert.
Publikation: Burkhardt, J., Zinsmeister, D., Grantz, D. A., Vidic, S., Sutton, M. A., Hunsche, M., Pariyar, S.: Camouflaged as ‘degraded wax’: hygroscopic aerosols contribute to leaf desiccation, tree mortality, and forest decline. Environmental Research Letters, https://doi.org/10.1088/1748-9326/aad346
Quelle: Pressemitteilung Universität Bonn, 16.07.2018[:]