Karbondioksid

CO₂ blir assimilert (tatt opp) organsimer som kan utføre fotosyntese

CO₂ blir assimilert (CO₂-fangst) i fotosyntesen hos autotrofe organismer (planteplankton, alger og planter), og blir utskilt ved cellerespirasjon  i alle levende organismer på Jorden. Under anaerobe forhold blir CO₂ produsert ved fermentering. Fotosyntesen assimilerer så store mengder CO₂ at det gir sykliske svingninger av CO₂-konsentrasjonen i atmosfæren, lav CO₂-konsentrasjon ved aktiv fotosyntese i vekstsesongen, og høy konsentrasjon i vinterhalvåret. 

I gassutvekslingen hos alle dyr, planter og mikroorganismer skilles det ut CO₂ fra metabolisme av organisk materiale. I utåndingsluften fra mennesker er det ca. 5% CO₂, og luften vi puster inn er det ca.  0.041% CO₂. Det vil si at et menneske i gjennomsnitt og grovt regnet puser ut 0.36 tonn CO₂ per år. Planter kan produsere CO₂ ved vanlig cellerespirasjon og i  fotorespirasjon.   I tillegg til respirasjon blir CO₂ dannet ved forbrenning av organisk materiale og fossilt brensel, fra vulkanutbrudd, varme kilder og geysirer. 

  I levende organismer kan enzymet karbonsyre anhydrase katalysere overgang mellom CO₂ og HCO₃^-.

Rubisko og CO₂-gjødsling

Rubisko er det enzymet som fikserer CO₂, i natruens egen CO2-fangst, og rubiskproteinet finnes i enorme mengder, men siden dette enzymet har relativt lav affinitet for CO₂ har evolusjonen utviklet en rekke metoder (C4-fotosyntese, karboksysomer) for oppkonsentrering av CO₂ omkring rubisko, blant annet for å redusere fotorespirasjon. Selv dagens konsentrasjon av CO₂ i atmosfæren gir ikke optimal fotosyntese, forutsatt at det andre vekstfaktorene er tilstede, blant annet nitrogen (gjødsel) og vann, slik at økning i CO₂-konsentrasjon gir en CO₂-gjødsling av den gjenlevende vegetasjonen. Kombinasjonen høy temperatur, økt CO₂-konsentrasjon og nitrogen i form av oksidasjon av nitrogenoksider (NO_x) til nitrat (salpetersyre) har gitt økt plantevekst hos C3-planter hvis det er nok vann tilstede. Eksperimentene som er gjort med CO₂-gjødsling er gjort i drivhus i veksthusnæringen, og konsekvensene for den naturlige vegetasjonen er i mange tilfeller ukjent. Man vet f.eks. at økt CO₂-konsentrasjon i atmosfæren gjør at det dannes færre spalteåpninger per arealenhet på bladene. C4-planter responderer annerledes på økt CO₂ enn C3-planter. Fytoplankton, alger og vannplanter kan få endret fotosynteserespons grunnet pH-endringer i vannet og endrete karbonlikevekter. Det kan også være tilbakekoblingsmekanismer fra økt CO₂ som vi ikke har helt skjønt rekkevidden av.  

Kilder til CO₂

Hovedkilden til CO₂ i atmosfæren er cellerespirasjon, hos alle levende organismer (dyr, planter, sopp, og bakterier),  vegetasjonsbrann og brenning av biomasse, brenning av  fossilt brensel (kull i kullkraftverk, olje og gass i gasskraftverk og husoldning), sementproduksjon og vulkanutbrudd. 

CO₂-kompensasjonspunktet for C3-planter er ca. 0.01% CO₂ (100 ppm), et resultat av fotorespirasjon,  og man anslår laveste CO₂ konsentrasjon som er nødvendig for å opprettholde livet på Jorden slik det er idag er ca. 0.02% (200 ppm).

Karbondioksid løst i vann virker som en svak syre, karbonsyre (H₂CO₃):

CO₂ + H₂O  ⇔  H₂CO₃ ⇔ H⁺ + HCO₃^-

Brenning av alt materiale som inneholder karbon gir karbondioksid, eller karbon monoksid (CO) hvis det er dårlig tilgang på oksygen. 

Store mengder karbondioksid er bundet i form av kalsiumkarbonat (CaCO₃). 

CO₂ fra aerob cellerespirasjon

Når trekarbonforbindelsen pyruvat blir oksidert til CO₂ skjer det i tre enzymatiske oksidative dekarboksyleringer. Samtidig blir NAD⁺ blir redusert til NADH. Elektronene i NADH blir i elektrontransportkjeden i mitokondriene videre omsatt til ATP. Cellerespirasjonen er koblet sammen med gassutveksling. Hos dyr i vann via akvatisk respirasjon. 

I overgang fra glykolyse i cytoplasma til trikarboksylsyresyklus i mitokondriene blir pyruvat oksidert i en oksidativ dekarboksylering til acetyl-oenzym A, katalysert av enzymet pyruvat dehydrogenase:

pyruvat + CoASH + NAD⁺ → Acetyl-CoA + CO₂ + NADH + H⁺

NAD⁺ blir redusert til NADH.

I mitokondriene skjer den andre oksidative dekarboksyleringen  katalysert av enzymet isositrat dehydrogenase hvor isositrat blir oksidert til  2-oksoglutarat (α-ketoglutarat)  og NAD⁺ blir redusert til NADH:

isositrat + NAD⁺ ⇌ 2-oksoglutarat + CO₂ + NADH + H⁺

Den tredje oksidative dekarboksylering er katalysert av enzymet 2-oksoglutarat dehydrogenase som oksiderer 2-oksoglutarat til succinyl-koenzym A.

2-oksoglutarat + CoASH + NAD⁺ → succinyl-CoA + CO₂ + NADH + H⁺

I oksidasjon av karbohydrater blir det laget pyruvat, mens i β-oksidasjonen  peroksisomer blir fettsyrer fra fett oksidert till acetyl-CoA som ved videre oksidativ dekarboksylering gir to molekyler CO₂. I tillegg til å bli brukt i oppbygging av proteiner kan aminosyrer brukes som energikilde omdannet til til acetyl-CoA og videre oksidert som vist over. Forholdet mellom mengden oksygen forbrukt og CO₂ utskilt ved respirasjon kan bli uttrykt i form av en respirasjonskvotient. 

Karbondioksid fra forbrenning (oksidasjon)

Oksidasjon kan skje ved biologisk temperatur katalysert av enzymer i organismene (metabolsk ksidasjon) , eller ved høy temperatur i forbrenningsreaksjoner. alt materiale som inneholder karbon, oksygen og hydrogen kan brennes og omsettes til energi, i tillegg produseres CO₂ og vann. Det vil si alle typer søppel produsert fra menneskelig aktivitet, alle typer biomasse, inkluert skogbranner. 

For eksempel brenning av metan (CH₄), eller hvis metanotrofe bakterier omsetter metan

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + energi

Brenning eller cellerespirasjon av organiske stoffer som inneholder karbohydrater:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + energi

Brenning eller cellerespirasjon av stearinsyre:

C₁₈H₃₆O₂ + 26O₂ → 18CO₂ + 18H₂O + energi

Fett inneholder mye karbon og hydrogen og lite oksygen, og frigir derfor mye energi ved oksidasjon. I forbrenningsreaksjonen er energien i form av varme. Ved cellerespirasjonen blir energien produsert i form av reduksjonskraft (NAD(P)H), den biologiske energibæreren ATP, samt varme. 

Keelingkurven som viser den kontinuerlige stiningen i CO₂-konsetrasjonen i atmosfæren. Svingningene på kurven skyldes  den sesongmessige variarisjon fotosyntesen på den nordlige halvkule.

Bunntråling frigir store mengder CO₂

Fiske med bunntråling på havbunnen kan frigi store mengder CO₂, anslått til 370 millioner tonn CO₂ per år ifølge en forskningsartikkel i Fronteriers in Marine Science. Dette er en kilde til O2 som man har helt uteglemt. I tillegg gir bunntråling store skader på økosystemene tilknyttet havbunnen I perioden 1996-2000 er mengden ansaltt til .34-0.37 Pg CO₂ år^-1.

Bunntråling og utvinning av mineraler fra dyphavsbunn vil virvle opp partikkelskyer med uorganisk og organiske materiale som kan spre seg over store områder og få Når det organiske materialet i sedimentene kan komme i kontakt med oksygenrikt vann fra omrøringen og kunne gi meget store utslipp av CO₂ med uanede konsekvenser for liv i dyphavet. Fytoplankton, alger og annet organiske materiale som synker ned på havbunnen har gjennom geologiske tidsperioder blitt omdannet til olje og gass, og viser at det kan dreie seg om store mengder.

Atwooed RB et al: Atmospheric CO₂ emissions and ocean acidification from bottom-trawling. Front. Mar. Sci.2024 Volume 10 – 2023, doi.org/10.3389/fmars.2023.1125137

Karbondioksid fra produksjon av sement

Termisk nedbrytning av kalkstein (CaCO₃), tidliger gjort i kalkovner, gir kalsiumoksid (CaO).Brent kalk (kalsiumoksid) framstilles ved oppvarming av kalkstein (CaCO₃, kalkspat, kalsitt) i en kalkovn ved ca. 1000^oC med følgende reaksjon:

CaCO₃ → CaO + CO₂

I sementovnene blir det produsert store mengder CO₂, og sementovnene er også et sted man kvitter seg med alle typer organiske løsemidler, olje, maling og alt annet brennbart organisk avfall i væskeform.

Kalkmørtel er brent kalk (CaO) laget ved brenning av kalkstein (CaCO₃), marmor eller skjell i en kalkovn tilsatt vann slik at det blir dannet lesket kalk (Ca(OH)₂) i en kalkdeig som tilsettes ca. 5% sand. Den herdes ved opptak av CO₂ fra lufta. Hvor kalsiumhydroksid blir omdannet til kalsiumkarbonat. Forskjellig fra sementmørtel som herder i reaksjon med vann. 

Karbondioksid fra gjødselindustrien

I Haber-Bosch-metoden i gjødselproduksjon  brukes metan (CH₄) for å lage hydrogen (H₂) og i prosessen blir det dannet CO₂ som et biprodukt.

CH₄ + H2O → CO + 3H₂

CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂

I 2018 var fler gjødselfabriker stengt, og det ble mangel på CO₂ brukt i produksjon av øl og mineralvann, samt mangel på CO₂ brukt i vannrenseanlegg. Vannrensing med CO₂ for å gi utfelling av partikulært materiale er basert på prinsippet diffusioforese, siden H⁺ diffunderer raskere i vann enn HCO₃^- er det mulig å lage en diffusjonsgradient. 

Ferrosilisiumindustri og CO₂

I omdanning av jernmalm ((Fe₂O₃) til råjern (Fe) eller stål blir det produsert CO₂. Det samme skjer når kvarts (SiO₂)  blir omdannet til silisium(Si) og aluminiumoksid (Al₂O₃) omdannet til metallisk aluminium, oksygen blir fjernet som CO₂. 

Reduksjoner og oksidasjoner skjer alltid i par, redokspar. En reduksjon vil si å motta elektroner eller avgi oksygen (O), mens en oksidasjon vil si å avgi elktroner eller motta oksygen (O). Al³⁺, Fe³⁺, Si⁴⁺ blir redusert fra ioneform til metall ved å motta elektroner og karbon ( C) blir oksidert til CO₂ ved å motta oksygen (O).

 Söderbergelektroden er en selvbrennende kontinuerlig anode brukt i elektrolyse i smelteovner for ferrosilisium, kobber eller aluminium.  Den er en karbonelektrode bestående av en jernhylse fylt med tyktflytende tjære, tilsatt bitumen og kul. Det erriller på innsiden av jernhylsen som hindrer at anodematerielt renner ut når metallrøret utvider seg i varmen fra smelteprosessen.  

Jernmalm, koks (karbon) og kalkstein møtes en blest (blåst) med varm luft  og som gir råjern med høyt innhold av karbon. Høyt innehold av karbon gjør jernet sprøtt. Tilførsel av oksygen i en ovn fjerner karbon som CO₂.

Reduksjon av hematitt (Fe₂O₃) til jern (Fe) med karbon (C) som blir oksidert:

2Fe₂O₃ + 3C → 4Fe + 3CO₂

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

2C + O₂ → 2CO

Karbondioksid fra fermentering

Når gjær fermenterer sukker  i produksjon av vin, øl, eller bakeverk blir det produsert CO₂ og etanol(C₂H₅OH). CO₂ fanget i et nettverk av glutenproteiner gir heving av bakeverk. 

C₆H₁₂O₆ → 2CO₂ + 2 C₂H₅OH

Enzymet pyruvat dekarboksylase deltar i anaerob oksidasjon i etanolgjæringen og produserer CO₂ og acetaldehyd. Ved fermentering blir organiske molekylder brukt som elektronakseptor i stedet for O₂ som i aerob respirasjon

pyrvuat → acetaldehyd + CO₂

CO₂ fra vegetasjonsbrann

Grunnet klimaendringer har det de siste årene blitt stadig flere vegetasjonsbranner på Jorden hvor det blir produsert CO, CO₂, nitrogenoksider og store mengder sotpartikler og svevestøv. Det kan ta lang tid før nedbrent vegetasjon igjen kan virke som en netto assimilator for CO₂.  

Sodavann

Kullsyreholdig vann er karbondioksid løst i vann ved høyt trykk, enten i form av rent vann med noen oppløste salter, eller som en del av innholdet i brus. Når flasken åpnes reduseres trykket og karbondioksid bruser ut i form av bobler. Jfr. Henrys lov. 

Vann med oppløst karbondioksid i en karbonatisering ble oppdaget av Joseph Priestly som I 1772 skrev i «Impregnating water with fixed air; In order to communicate to the peculiar Spirit and Virtues of Pyrmont Water, And other Mineral Waters of a familiar Nature» med oppskrift for hvordan det skulle gjøres.

Priestly studerte også effekten av oksygen, oksygen  oppdaget av Antoine Lavoisier og Carl Wilhelm Scheele.

Johann Jacob Schweppe (1740-1821) var en tysk-sveitsisk urmaker som utviklet et praktisk prosess for å lage karbonert mineralvann på glassflasker solgt gjennom firmaet Schweppes Company som han grunnla. Selters var et tysk varemerke  fra området Selters i Hesse ved fjellkjeden Taunus. I USA brukes betegnelsen Seltzer eller Club Soda. Tonic-water er karbonert vann tilsatt kinin som smaker bittert, smakstilsatt med sitron eller lime i form av  bitter lemon eller bitter lime. Sodablandevann til cocktails.  

Hvis man åpner en flaske med kullsyreholdig drikke så er CO₂ i starten oppløst i drikken, og helles det opp i et glass frigis CO₂ fra væsken i form av gassbobler. Boblene dannes også nede i glasset ved nukleasjonspunkter ved urenheter i glasset som induserer start på boblene. og man kan noen ganger observere at boblene kommer på en linje fra ett nukleasjonspunkt.

Vulkansk aktivitet og CO₂

Vulkanutbrudd gir store utslipp av CO₂, SO₂, vanndamp og sotpartikler i aerosoler forklart ved platetektonikk. Vulkansk aske kan spre seg i atmosfæren gir rødfargete solnedganger og reduserer solinnstråling og reduserer temperaturøkning, mens CO₂ bidrar til å øke temperaturen.

Fasediagram

Fasediagram for CO₂ kan finnes i fasetilstander som gass, væske eller fast form (tørris) avhengig av trykk og temperatur. I gassfase er det langt mellom CO₂-molekylene og det er liten tiltrekning mellom dem. Senkes temperaturen og trykket øker kan CO₂ blir omdannet til væske. Ved ennå økende trykk og lavere temperatur går CO₂ over i fast form. Ved kritisk punkt-tørking av prøver analysert i transmisjonselektronmikroskop kan man under prøveopparbeidelsen erstatte den flytende fikseringsvæske med CO₂ og få tørre prøver. Trippelpunkt i fasedigrammet for CO₂ er -56.56°C og  4.17 bar.

Parisavtalen og klimagassutslipp

Parisavtalen er en juridisk bindende internasjonal avtale, ratifisert av Norge i 2016, som forplikter landene til å sørge for at temperaturen på Jorden ikke må overstige 2^oC , helst ikke mer enn 1.5^oC, og krav om  klimanøytralitet innen år 2100. Klimanøytralitet vil si at utslippene er like store som opptakene. Alle land må ha en nasjonal plan for utklippskutt av klimagasser.  Parisavtalen setter Norge som gasse og oljeprodusent i en klemme, og norske borgere har ikke tatt helt inn over seg hvilke endringer i vår måte å leve på som må gjøres for å oppfylle avtaleforpliktelsene. 

I 2020 var de største utslippene av fossilt CO₂ Kina (31%), USA (14%), EU (7%), India (7%) til sammen 59% av alle utslipp, resten av verden 41%.

Kalsiumkarbonat

Knollekalk består av hvitaktige kalksteinsknoller omgitt av mørkere skifer og er utbredt i kambro-silur-aveleiringer i  Oslofeltet blant annet fra Ordovicium. Dannet fra avsetning av kalkslam og leirslam eller ved sammenpressing (konkdresjon). Kalk er lys, mens skifer er mørk.

Kalktuffer er utfelling av kalk , porøs tkalsiumkarbonat (CaCO₃) med gulbrunfarge fra jernutfellinger)  fra kalkrikt grunnvann som kommer opp til jordoverflaten.

Marmor (gr. marmaros –skinnende stein) er metamorf kalsiumkarbonat (kalsitt) anvendt i skulpturer og som bygningsstein utendørs og innendørs (marmormosaikk). En dråpre syre på marmos gir brusing og frigivelse av CO₂.

Grunn til bekymring 

Fossilt brennstoff er en viktig energibærer, og inneholder kjemiske stoffer med stor nytteeffekt. Derfor hadde det vært fornuftig på lang sikt å begrense bruk og utvinning slik at energibæreren også kunne vært tilgjengelig for seinere generasjoner. Fossilt brensel er et resultat av fotosyntesen gjennom mange hundre millioner år, og store deler av det fossilte brennstoffet blir nå omsatt til energi, karbondioksid og vann. 

Når CO₂-konsentrasjonen stiger i atmosfæren viser dette at det skjer endringer i de store fluksene av karbondioksid mellom hav, land og atmosfære. Spesielt gjelder dette fjerning av skog og vegetasjon, med formål brukt til beite og landbruk, industri, veibygging, hytte- og bolibygging. Fjerning av flere sjikt med vegetasjon gir redusert fotosyntese og økt respirasjon fra rotbiomasse. I tillegg ødelegges leveområder for natrulig vegetasjon, sopp og dyr, og gir minsket biodiversitet. 

Karbondioksid er en av flere gasser i atmosfæren som absorberer varmestråling og bidrar til drivhuseffekten. og påvirker således Jordens klima. Det er grunn til bekymring for konsekvensene av økt konsentrasjon av CO₂ og andre klimagasser i atmosfæren, habitatfragmentering og forsuringsprosesser i meget kompleks interaksjon med vann, nitrogen, svovel, fosfor og jern.   

Oppdagelsen av CO₂

Den nederlandske kjemikeren Jan Baptiste von Helmont fant omkring 1640 at da han brant kull hadde asken mindre masse enn det opprinnelige kullet, og det som var forsvunnet var en usynlig gas sylvestre (Historien om plantefysiologi). Den skotske kjemikeren Joseph Black oppdaget midten på 1700-tallet  "fiksert luft" (karbondoksid), som var tyngre enn luft, ved å varme opp kalkstein (kalsiumkarbonat, CaCO₃)) og tilsetning av syre. Ble gassen boblet gjennom en løsning av kalsiumhydroksid (Ca(OH)₂) så ble det dannet utfelling av kalsiumkarbonat. Joseph Priestley  beskrev i Impregnating Water with Fixed Air  at det ble dannet "fiksert luft" ved å dryppe syre på kritt eller marmor, og at den fikserte luften kunne bli løst i vann. 

umphry Davy og Michael Faraday klarte i 1823 å omdanne gassen CO₂ til flytende form ved høyt trykk, det er overgang mellom CO₂- tilstandsformene gass, væske og fast form  Tørris er CO₂ i fast form. ved å åpne en trykkbeholder med CO₂ fant franskmannen Adrien Jean Pierre Thilorier i 1835 at det kom ut en hvitaktig "snø" ut fra flasken (tørris). 

Brenning av organisk materiale produserer karbondioksid, branngasser og sotpartikler. 

Litteratur

Wikipedia

Tilbake til hoveside