Photoreaktor am TROPOS für Laboruntersuchungen zu Prozessen in der atmosphärischen Flüssigphase - also in wasserhaltigen Partikeln. Diese Studien wurden mit einem ähnlichen System durchgeführt. Foto: Thomas Schäfer, TROPOS
Wichtige neue Quelle für Oxidation in der Atmosphäre gefunden
Leipzig, 13.01.2026
Internationales Team berichtet über neuen Reaktionsweg mit Bedeutung für Luftqualität und Klima in Science Advances
Shantou/Turin/Leipzig. Hydroperoxide sind starke Oxidationsmittel, die erheblichen Einfluss auf die chemischen Prozesse in der Atmosphäre haben. Jetzt konnte ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) zeigen, dass sich diese Substanzen auch mit Sonnenlicht aus α-Ketosäuren wie der Brenztraubensäure in Wolken, Regen und Aerosolwasser bilden. Diese Reaktionen könnten für 5 bis 15 Prozent des beobachteten atmosphärischen Wasserstoffperoxids (H₂O₂) in wässriger Phase verantwortlich sein. Damit sei jetzt mit der Photolyse von α-Ketosäuren eine weitere wichtige Quelle für atmosphärische Oxidationsmittel gefunden, schreiben die Forschenden in Science Advances, dem Open-Access-Journal des renommierten Wissenschaftsjournals SCIENCE. Da diese Oxidationsprozesse sowohl Bildung als auch Abbau von Partikeln und Luftschadstoffen beeinflussen, hat der neu entdeckte Reaktionsweg große Bedeutung für die Luftqualität und die Klimaprognosen.
Der Schlüssel zu dieser Entdeckung sind α-Ketosäuren. Das sind Carbonsäuren, die eine zusätzliche sog. Ketogruppe mit einem Kohlenstoffatom und einem doppelt gebundenen Sauerstoffatom enthalten. Die α-Ketosäuren kommen über verschiedene Reaktionen in die Atmosphäre aus einer Vielzahl von Vorläufergasen wie Isopren, Aromaten oder Acetylen, die biogen oder anthropogen sein können – also sowohl aus der Vegetation als auch aus der Industrie stammen. Sie sind weit verbreitet und spielen eine grundlegende Rolle für das Leben auf der Erde, zum Beispiel in der Biochemie beim Aminosäurestoffwechsel in den Zellen. Ihre Bedeutung für die Atmosphäre und das globale Klima wurde dagegen bisher eher unterschätzt. Anhand von drei α-Ketosäuren (Glyoxylsäure, Brenztraubensäure und 2-Ketobuttersäure) konnte die Forschenden in Laborexperimenten und Modellrechnungen nun nachweisen, dass diese Substanzen zusammen mit Licht an der Bildung von Hydroperoxiden beteiligt sind, die wiederum Wasserstoffperoxid entstehen lassen. Diese Prozesse laufen in der atmosphärischen Flüssigphase ab - also in wasserhaltigen Partikeln.
An der Studie waren Forschende der Chinese Academy of Sciences (Guangzhou), des Guangdong Technion - Israel Institute of Technology, des Weizmann Institute of Science, der Fudan University (Shanghai), der University of Chinese Academy of Sciences, (Beijing), der Kunming University of Science and Technology, der Università di Torino, der Shandong University (Qingdao) und des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) beteiligt. Eine wichtige Rolle bei der Kooperation spielten drei Experten für photochemische Prozesse in den Flüssigkeiten der Atmosphäre: Sasho Gligorovski, der seine Doktorarbeit vor 20 Jahren am TROPOS in Leipzig schrieb, dann in Frankreich forschte, Professor am Guangzhou Institute of Geochemistry der Chinesischen Akademie der Wissenschaften wurde und seit 2025 am Chinesisch-Israelischen Joint Venture Guangdong Technion - Israel Institute of Technology (GTIIT) forscht. Davide Vione, Professor an der Universität Turin. Und Prof. Hartmut Herrmann, der seit 1998 am TROPOS und der Universität Leipzig zum troposphärischen Multiphasensystem forscht sowie seit 2018 auch an der Shandong Universität und seit 2019 an der Fudan-Universität in Shanghai.
Die Atmosphärenchemie von TROPOS in Leipzig nutzte die Labordaten aus Shanghai und Turin in ihrem Flüssigphasenmodell CAPRAM (Chemical Aqueous Phase Radical Mechanism), um die atmosphärischen Auswirkungen der Laborergebnisse zu bewerten und Hochrechnungen zu machen. Das CAPRAM-Modell wurde über Jahre so verfeinert, dass es die sehr komplexen Reaktionsketten abbilden kann und die neuen Erkenntnisse aus den Laborexperimenten nun als weitere Rückkopplungen eingearbeitet werden können.
„Diese Arbeit liefert den ersten quantitativen Rahmen für die Bildung von Hydroperoxiden aus α-Ketosäuren und klärt die für Atmosphärenmodelle entscheidenden pH- und Konzentrationsabhängigkeiten. Durch die internationale Kooperation gelang es, ein weiteres Puzzlestück in der sehr komplexen Multiphasen-Atmosphärenchemie zu finden“, erläutert Prof. Hartmut Herrmann vom TROPOS und der Shandong University Qingdao.
Die jetzt veröffentlichte Studie liefert erste Ansätze, zeigt aber auch die Wissenslücken auf: So fehlen zum Beispiel systematische Feldmessungen der Konzentrationen von α-Ketosäuren in Aerosolen und Wolkenwasser in verschiedenen Umgebungen, um diese Mechanismen in Klimamodelle einbauen zu können. Solche Studien würden helfen, das globale Budget von Hydroperoxiden in der Atmosphäre besser abzuschätzen sowie deren Rolle bei der Partikelbildung in wässriger Phase und der Sulfatproduktion. Tilo Arnhold
Publikation:
Hongwei Pang, Andreas Tilgner, Jin Han, Jiazhuo He, Yiqun Wang, Jinli Xu, Bowen He, Qingxin Deng, Ren Yan, Zhu Ran, Xinming Wang, Jiangping Liu, Adeniyi Adesina, Luca Carena, Erik H. Hoffmann, Thomas Schaefer, Davide Vione, Hartmut Herrmann, Sasho Gligorovski (2026): Evidence for Hydroperoxides Formation through Atmospheric Aqueous Photochemistry of α-Keto acids. Alternative Source of Hydroperoxides in the Atmosphere. Science Advance, 09 January 2026. DOI: 10.1126/sciadv.adx4527
https://doi.org/10.1126/sciadv.adx4527
Förderung:
National Natural Science Foundation of China (22206186; 22006020; 42177087), Science Fund for Creative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China (42321003), Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR), Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus (SMWK) und Italienisches Ministerium für Universitäten und Forschung (Ministero dell'università e della ricerca, "Dipartimenti di Eccellenza 2023-2027" D13C22003520001).
Kontakte:
Prof. Hartmut Herrmann
Leiter der Abteilung Chemie der Atmosphäre, Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig, und Universität Leipzig, Deutschland
Tel. +49-341-2717-7024
https://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/hartmut-herrmann
und
Prof. Sasho Gligorovski
Environmental Science and Engineering Research Group, Guangdong Technion - Israel Institute of Technology (GTIIT), Shantou, Guangdong Province, China
Phone: +86 2085291497
http://english.gig.cas.cn/sourcedb/rckyw/fs/202311/t20231103_553497.html
https://www.gtiit.edu.cn/en/viewStaff.aspx?staffNo=1301
und
Prof. Davide Vione
Department of Chemistry (SSD: CHIM/12 - chemistry for the environment and for cultural heritage)
Università degli studi di Torino
Phone: +39 0116705296
https://www.chemistry.unito.it/do/docenti.pl/Show?_id=dvione#tab-profilo
oder
Tilo Arnhold
Öffentlichkeitsarbeit, TROPOS
Tel. +49-341-2717-7189
http://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/
Links:
TROPOS: Multiphasenmodellierung
https://www.tropos.de/institut/abteilungen/chemie-der-atmosphaere/multiphasenmodellierung/multiphasenmodellierung
TROPOS: Laborexperimente zu troposphärischen Multiphasenprozessen
https://www.tropos.de/institut/abteilungen/chemie-der-atmosphaere/laborexperimente/laborexperimente-zu-troposphaerischen-multiphasenprozessen
TROPOS: Modellierung chemischer Multiphasenprozesse
https://www.tropos.de/institut/abteilungen/modellierung-atmosphaerischer-prozesse/multiphasenprozesse/modellierung-chemischer-multiphasenprozesse
Neue Substanzklasse in der Atmosphärenchemie nachgewiesen (Pressemitteilung, 26.05.2022):
https://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/neue-substanzklasse-in-der-atmosphaerenchemie-nachgewiesen
Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft, die 96 selbständige Forschungseinrichtungen verbindet. Ihre Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute widmen sich gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevanten Fragen.
Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Forschung, auch in den übergreifenden Leibniz-Forschungsverbünden, sind oder unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer, vor allem mit den Leibniz-Forschungsmuseen. Sie berät und informiert Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit.
Leibniz-Einrichtungen pflegen enge Kooperationen mit den Hochschulen - u.a. in Form der Leibniz-WissenschaftsCampi, mit der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Sie unterliegen einem transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen rund 21.400 Personen, darunter 12.170 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.
Das Finanzvolumen liegt bei 2,3 Milliarden Euro. Finanziert werden sie von Bund und Ländern gemeinsam. Die Grundfinanzierung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) und dem Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK) getragen. Das Institut wird mitfinanziert aus Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes.
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