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Ozonverschmutzung: Eine heimtückische und wachsende Bedrohung für die biologische Vielfalt

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Es ist seit langem bekannt, dass bodennahes Ozon eine Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellt. Jetzt verstehen Wissenschaftler immer besser, wie dieser Schadstoff Pflanzen und Bäume schädigt und eine Kaskade von Auswirkungen in Gang setzt, die von Bodenmikroben über Insekten bis hin zu Wildtieren alles schädigt.

Die berühmten Mammutbäume des Sequoia-Nationalparks stehen hoch oben auf der Westseite der Sierra Nevada, oberhalb des kalifornischen San Joaquin Valley. Sie sind bedroht wie nie zuvor: Waldbrände haben große Teile des Waldes niedergebrannt, und jetzt werden die Mammutbäume erstmals von Insekten getötet.

Es gibt auch eine heimliche Bedrohung für diese majestätischen Bäume und das Waldökosystem, zu dem sie gehören. Die Ozonwerte im Sequoia und im angrenzenden Nationalpark King’s Canyon gehören zu den höchsten in den Vereinigten Staaten, was auf den Smog zurückzuführen ist, der aus den städtischen Gebieten sowie aus der Landwirtschaft und der Industrie im darunter liegenden San Joaquin Valley hereinweht. Die Smogwerte sind hier manchmal genauso hoch oder sogar höher als in Los Angeles.

Es ist seit langem bekannt, dass bodennahes oder troposphärisches Ozon Bäume und andere Pflanzen schädigt, indem es eine Reihe von biologischen Prozessen auf zellulärer Ebene beeinträchtigt. Studien haben gezeigt, dass sich hohe Ozonwerte negativ auf das Pflanzenwachstum, die Vitalität, die Photosynthese, den Wasserhaushalt, den Blühprozess und die Fähigkeit der Pflanzen, sich zu verteidigen, auswirken.

In jüngster Zeit haben Forscher ihre Aufmerksamkeit darauf gerichtet, wie sich die schädlichen Auswirkungen von Ozon auf die Flora auf ganze Ökosysteme ausbreiten und die biologische Vielfalt beeinträchtigen können, indem sie Insekten, Wildtiere und sogar den Boden schädigen.

Studien zeigen, dass diese Auswirkungen u. a. dazu führen können, dass Pflanzen weniger nahrhaft sind, dass die Duftspuren, denen Bestäuber folgen, um ihr Ziel zu finden, vermindert werden, dass sich der Zeitpunkt des Laubfalls ändert, was sich auf den Waldboden und die dort lebenden mikrobiellen Gemeinschaften auswirkt, dass die Wurzelsysteme von Pflanzen und Bäumen und die dort lebenden Mikroben, Pilze und anderen Organismen beeinträchtigt werden und dass sogar die Ernten von Grundnahrungsmitteln wie Mais und Weizen zurückgehen. Und Wissenschaftler sagen voraus, dass sich diese negativen Auswirkungen mit der Erwärmung des Planeten noch verstärken werden, da das bodennahe Ozon mit steigenden Temperaturen zunimmt.

Wärmeres Wetter erhöht das bodennahe Ozon, ein Problem, das sich den Prognosen zufolge noch verschärfen wird.

Die Auswirkungen von Ozon in den Sierras und anderswo sind bei weitem noch nicht vollständig erforscht, weil die Auswirkungen schwer zu untersuchen sind und die Forschung nicht ausreichend finanziert wurde. Es kann schwierig sein, die Auswirkungen von Ozon von anderen Stressfaktoren wie Trockenheit und wärmeren Temperaturen abzugrenzen, und viele der ozonbedingten Veränderungen sind möglicherweise erst nach Jahren oder Jahrzehnten nachweisbar.

Die bisherigen Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass erhöhte Ozonwerte die biologische Vielfalt bereits auf vielfältige Weise beeinträchtigen.

“Ozon ist der schädlichste Schadstoff der Welt”, sagt Evgenios Agathokleous, Professor für Umweltressourcen am Institut für Ökologie der Nanjing University of Information Science & Technology in China und einer der führenden Forscher auf diesem Gebiet. “Er verursacht die am weitesten verbreiteten Schäden an Pflanzen und ist eine sehr ernste Bedrohung für die Artenvielfalt. In einigen Teilen Asiens seien die Ozonwerte 10 Mal höher als die kritischen Grenzwerte.

Ozon – ein unsichtbares, geruchloses Gas in der oberen Atmosphäre – ist für das Leben unerlässlich, da es die Erde vor den schädlichen ultravioletten Strahlen der Sonne schützt. Das Montrealer Protokoll von 1987 zur schrittweisen Abschaffung von Industriechemikalien, die die Ozonschicht zerstörten, gilt als eine der erfolgreichsten internationalen Umweltmaßnahmen aller Zeiten. In Bodennähe ist Ozon jedoch giftig für das Leben. “Gut in der Höhe, schlecht in der Nähe”, sagen einige Wissenschaftler. Außerdem ist es ein Treibhausgas – das drittschädlichste nach Kohlendioxid und Methan.

Bodennahes Ozon wird hauptsächlich vom Menschen erzeugt, und zwar durch Schadstoffe wie Distickstoffoxid, Methan und flüchtige organische Verbindungen, die von Autos, Lastwagen, Raffinerien, Kraftwerken und der Öl- und Gasförderung ausgestoßen werden. Chemisch gesehen ist es dem Chlor ähnlich, aber nicht so giftig.

Wenn diese Luftschadstoffe auf Sonnenlicht und warme Temperaturen treffen, gehen sie eine chemische Reaktion ein und werden zu Ozon. In den USA ist der Ozongehalt in den letzten Jahrzehnten dank der Vorschriften für die Emission von Distickstoffoxid und anderen Vorläuferschadstoffen erheblich zurückgegangen. Dennoch gibt es Orte, an denen die Ozonwerte nach wie vor hoch sind, darunter große Teile des Westens. Neben dem Sequoia-Nationalpark sind die Ozonwerte auch in anderen Parks wie dem Joshua-Tree- und dem Rocky-Mountain-Nationalpark weiterhin sehr hoch. Denver, Salt Lake City und Albuquerque sowie andere städtische Gebiete im Westen erreichen häufig gesundheitsgefährdende Ozonwerte.

Studien zeigen, dass die Ozonwerte in der gesamten asiatisch-pazifischen Region, in Afrika und Europa stetig ansteigen. Der größte Teil der Ozonbelastung stammt aus China, Indien und Südostasien. Und Ozon kann riesige Entfernungen zurücklegen – es kann von Nordindien aufsteigen und den Himalaya einhüllen oder von Asien aus den Pazifik überqueren und zu einem Faktor für die Ozonwerte an der Westküste werden, einschließlich des Ozons, das die Mammutbäume beeinträchtigt. Ozon wird auch für die Schädigung von Pflanzen in der Arktis verantwortlich gemacht.

Außerdem erhöht sich bei wärmerem Wetter die bodennahe Ozonkonzentration, ein Problem, das sich den Prognosen zufolge noch verschärfen wird. “Wenn das Klima wärmer wird und die Luft verschmutzt ist, entsteht mehr Ozon”, sagt Daniel Jacobs, Professor für Atmosphärenchemie an der Harvard University, der sich mit Ozon, Luftverschmutzung und Methan beschäftigt. “Dafür gibt es drei Gründe: Es gibt mehr Stagnation und Ansammlung von verschmutzter Luft, die Reaktionen, die Ozon verursachen, laufen schneller ab, wenn es wärmer wird, und Distickstoffoxid (ein Vorläufer) hat bei wärmeren Temperaturen eine längere Lebensdauer. Die Verschlechterung der Luftverschmutzung durch den Klimawandel wird manchmal als “Klimastrafe” bezeichnet.

Unterdessen ist der Methangehalt in der Atmosphäre seit 2006 rapide angestiegen und hat im vergangenen Jahr einen Rekordwert erreicht. Methan ist nicht nur ein starkes Treibhausgas, sondern auch ein Vorläufer von Ozon.

Ozon schadet den Pflanzen mehr als alle anderen Luftschadstoffe zusammen, so das USDA.

Es ist allgemein bekannt, dass eine chronische Belastung durch hohe Ozonwerte eine ernsthafte Bedrohung für die menschliche Gesundheit darstellt, da sie Herz- und Lungenprobleme wie Asthma und Emphyseme verschlimmert und ein geringeres Geburtsgewicht verursacht. Eine Studie ergab, dass weltweit jedes Jahr mehr als 1 Million vorzeitige Todesfälle durch hohe Ozonwerte verursacht werden.

Die Forschung zeigt auch, dass Nutzpflanzen und Wälder entweder direkt oder indirekt durch Ozon geschädigt oder getötet werden, da Ozon sie anfälliger für Insekten, Krankheiten und Trockenheit macht. Nach Angaben des US-Landwirtschaftsministeriums schädigt Ozon die Pflanzen mehr als alle anderen Luftschadstoffe zusammen. Prognosen zufolge wird das Gas zu einem erheblichen Rückgang der weltweiten Nahrungsmittelproduktion führen. Eine aktuelle Studie sagt voraus, dass die Weizenproduktion bis 2050 um 13 Prozent, die Sojaproduktion um 28 Prozent und die Maisproduktion um 43 Prozent zurückgehen wird, weil die Temperaturen und das Ozon steigen.

Es ist zwar klar, dass Ozon allen lebenden Organismen schaden kann, aber die Auswirkungen auf die biologische Vielfalt wurden bis vor kurzem noch nicht untersucht. Wissenschaftler glauben jedoch, dass die Auswirkungen erheblich sind. In diesem Monat veranstaltet die International Union of Forest Research Organizations, ein globales Netzwerk von Wissenschaftlern, eine Konferenz über die Bedrohung von Pflanzenökosystemen durch Luftverschmutzung. Ozon steht dabei ganz oben auf der Liste.

In einer im vergangenen Jahr veröffentlichten Arbeit haben 20 Forscher aus Europa und Asien, darunter auch Agathakleous, modelliert, was in den kommenden Jahrzehnten mit den Ökosystemen infolge der Ozonverschmutzung geschehen könnte. Sie kamen zu dem Schluss, dass Ozon “die Zusammensetzung und Vielfalt von Pflanzengemeinschaften durch die Beeinträchtigung wichtiger physiologischer Merkmale” beeinträchtigt und eine Kaskade von Veränderungen auslösen kann, die die biologische Vielfalt verringern. In ihrem Papier forderten die Forscher die Behörden auf, Ozon bei ihren Bemühungen um den Schutz und die Wiederherstellung der biologischen Vielfalt zu berücksichtigen, und sagten, seine Auswirkungen sollten in die Bewertung der Luftverschmutzung und des Klimawandels einbezogen werden.

Die Forschung zeigt, dass Ozon die Pflanzen in vielfältiger Weise beeinflusst.

“Es lähmt die Spaltöffnungen der Pflanzen”, sagte Howard Neufeld, ein Pflanzenökologe an der Appalachian State University, “und so geben sie mehr Wasser ab als sie aufnehmen. Spaltöffnungen sind die mikroskopisch kleinen Öffnungen auf der Blattoberfläche, durch die Bäume Gase mit der Atmosphäre austauschen. Ozon schädigt sie und stört eine Reihe von Prozessen, darunter die Photosynthese.

Ozon schädigt auch die Blätter und beschleunigt deren Alterung. “Wenn Blätter geschädigt werden, geht die Photosynthese zurück; die Pflanze produziert weniger Zucker und hat weniger Ressourcen”, sagt Neufeld. “Es beeinträchtigt auch die Weiterleitung von Zucker an die Wurzeln, was das Wurzelwachstum verringert und die Pflanze anfälliger für Trockenheit, Nährstoffmangel und Krankheiten macht.

Ozonschäden können auch den Zeitpunkt des Laubfalls verschieben und die Größe der Blätter verringern, wodurch sich die Menge der Streu verringert und die mikrobiellen Gemeinschaften, die in den sich zersetzenden Blättern gedeihen, beeinträchtigt werden. Mikroben in der Streu und im Boden sind entscheidend für die Aufnahme von Nährstoffen, helfen den Bäumen, Krankheiten zu widerstehen und Wasser effizient zu nutzen.

Die Auswirkungen von Ozon auf den Boden betreffen auch die Rhizosphäre – das Wurzelsystem und die damit verbundenen Mikroben, Pilze und anderen Organismen. “Wenn die Pflanzen auf Ozon reagieren, verbrauchen sie Energie”, so Agathokleous. “Wenn sie so viel Energie verbrauchen, steht den Organismen im Boden weniger zur Verfügung und die chemische Zusammensetzung kann beeinträchtigt werden. Weniger nahrhafte Blätter können sich auch auf den Lebenszyklus von Tieren auswirken, die sich von ihnen ernähren.

Ozon ist kein gleichberechtigter Schadstoff – manche Pflanzen sind sehr anfällig für das giftige Gas, andere weniger. In den USA gehören beispielsweise die Schwarzkirsche, die Zitterpappel und die Weißkiefer zu den am stärksten betroffenen Arten. Diese unterschiedlichen Auswirkungen sind der Grund für eine der wichtigsten Folgen von Ozon auf Ökosysteme: Es verändert die Zusammensetzung der Pflanzengemeinschaft und verringert den Artenreichtum. Einige Pflanzenarten können zurückgehen oder verschwinden, während andere gedeihen, weil sie nicht mehr die gleiche Konkurrenz haben. Insekten- und Wildtierarten, die von diesen Pflanzen abhängen, sind ebenfalls betroffen.

Studien in den San Bernadino Mountains in Kalifornien haben gezeigt, dass Ozon die Anfälligkeit der Wälder für Waldbrände erhöht, weil ozonempfindliche, feuerresistente Kiefernarten durch Arten ersetzt wurden, die eher brennen.

Auch die chemischen Aspekte eines Ökosystems erfahren durch Ozon unzählige Veränderungen. Das Gas verringert beispielsweise die Stickstoffmenge in den Blättern der Pflanzen, ein wichtiger Nährstoff, der die Dynamik der Insekten antreibt.

Ozon verändert die biogenen flüchtigen organischen Verbindungen, die von Pflanzen emittiert werden, von Isopren bis hin zu Terpenen. Mit diesen chemischen Stoffen senden Pflanzen Signale an andere Pflanzen, Insekten und Tiere. Die Beziehungen zwischen Insekten und den von den Pflanzen emittierten Chemikalien sind laut der Studie “hochkomplex” und entscheidend für die Funktionen des Ökosystems.

In einer Studie wurde beispielsweise festgestellt, dass Ozon den Blütenduft reduziert, der Bestäuber anlockt. Diese Botenstoffe sagen einer Biene oder einem anderen Bestäuber in einer Entfernung von einer halben Meile, wie viel Pollen vorhanden ist, welche Qualität er hat und um welche Art es sich handelt. Höhere Ozonwerte verschlechterten jedoch den Duft, und die Bestäuber fanden die Zielpflanze weniger erfolgreich. In einer kürzlich erschienenen Arbeit wurde festgestellt, dass Ozon auch die olfaktorischen Fähigkeiten von Bestäubern beeinträchtigt und ihre Fähigkeit, Pollenquellen zu erkennen, verringert.

Experten zufolge werden andere Insekten, Säugetiere und Vögel wahrscheinlich ebenso wie der Mensch unter den schädlichen Auswirkungen des Ozons leiden. Agathokleous sagte, die Forschung sei nicht nur wichtig, um die Bedrohung der bestehenden Artenvielfalt zu verstehen, sondern auch, um die Wiederherstellungsbemühungen zu steuern. Die unsichtbare Natur der Bedrohung war jedoch ein Hindernis für die Beschaffung der erforderlichen Mittel.

“Der Klimawandel ist sichtbar oder spürbar, sei es durch vermehrten Regen, Dürre oder Hitze”, sagt Agathakleous. “Die Ozonverschmutzung ist ein verstecktes Problem. Sie ist im Allgemeinen weder sichtbar noch spürbar. Die Menschen achten nicht auf etwas, das sie nicht sehen können”.

Die Recherchen für diesen Artikel wurden vom Bill Lane Center for the American West an der Stanford University unterstützt.

Quellen/Original/Links:
https://e360.yale.edu/features/ozone-pollution-an-insidious-and-growing-threat-to-biodiversity

Übersetzung:
https://www.deepl.com/en/translator

Umweltjournalist
Jim Robbins

Jim Robbins

Jim Robbins ist ein erfahrener Journalist mit Sitz in Helena, Montana. Er schreibt regelmäßig für Yale Environment 360 und hat für die New York Times, Conde Nast Traveler und zahlreiche andere Publikationen geschrieben. Sein neuestes Buch ist das Buch The Wonder of Birds: What they Tell Us about the World, Ourselves and a Better Future.