Hiilidioksidi yhteyttämisen raaka-aine elämän voima

Fotosynteesi on auringon valoenergialla tapahtuvaa yhteyttämistä; vihreät ja jotkin muut eliöt kuten levät, syanobakteerit ja eräät bakteerit sitovat auringon säteilyenergiaa orgaanisten yhdisteiden kemialliseksi energiaksi. Yleisin fotosynteesin muoto on oksygeeninen, jossa hiilidioksidista ja vedestä syntetisoidaan hiilihydraatteja, sokereita ja tärkkelystä ja sivutuotteena syntyy happea. 

Happi on alkuaine, kemiallinen merkki O. Esiintyessään vapaana alkuaineena se on tavallisissa lämpötiloissa kaasuna ja maan ilmakehässä sitä on noin 21 %. Happea esiintyy luonnossa myös erilaisissa yhdisteissä kuten vedessä (H²O), joka on vedyn ja hapen yhdiste. Happea löytyy myös maa- ja kallioperän mineraaleissa, happi on yleisin alkuaine maankuoressa, jossa sitä on 47 %. Happi reagoi herkästi monien muiden alkuaineiden kanssa, se ylläpitää palamista ja on useille eliömuodoille välttämätön. Happi vapautuu kasvien yhteyttämisessä ja kuluu soluhengityksessä, samoin tapahtuu ihmisen hengityksessä; Respiraatio on ilman vetämistä hengitysteiden kautta keuhkoihin, joissa happea siirtyy sisäänhengitetystä ilmasta keuhkorakkuloiden kautta veren ja kudosnesteen kautta soluihin, joissa happi kulutetaan soluhengityksessä, siinä syntyy hiilidioksidia, joka palaa keuhkoihin ja hengitetään ulos.

Yhteyttämisen raaka-aineena toimii hiilidioksidi, jonka kasvit ottavat ilmasta, veden alla olevat kasvit vedestä. Hiilidioksidista kasvit saavat kaiken orgaanisiin aineisiin tarvittavan hiilen (C). Yhteyttämistuotteisiin sitoutunut hiili palautuu hiilidioksidista takaisin ilmakehään kasvien omassa, kasviainesten välittömien ja välillisten kuluttajien sekä hajottajien hengityksessä. Jos ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on pienempi kuin kasvien ns. kompensaatiopiste, yhteyttäminen ei tuota enempää yhteyttämistuotteita kuin minkä samanaikainen hengitys kuluttaa. Vaikka valaistus ja lämpötila olisivatkin suotuisat, tällöin kasvu pysähtyy C₃ kasveilla (pavut, riisi,vehnä, ruis ja kaura), näiden kasvien tarvitsema vesimäärä tiettyä määrää kuivaa yhteyttämistuotetta kohden on moninkertainen verrattuna C₄ kasveihin. C₃ kasvien kasvu edellyttää, ilman hiilidioksidipitoisuus on vähintään 100 ppm.  C₄ kasveilla (esim. maissi, durra, hirssi, amarantit ja sokeriruoko) ei käytännössä ole hiilidioksidipitoisuusalarajaa. Kasvien uskotaan syntyneen noin 40 miljoonaa vuotta sitten, kun hiilidioksidipitoituus ilmakehässä aleni ja ilman lämpötila nousi sekä veden saanti väheni. C₄ kasvit yleistyvät 7-6 miljoonaa vuotta sitten, kasveja on 1 % kasvilajeista ja 5 % biomassasta, mutta sitovat 30 % kaikkien kasvien sitomasta hiilidioksidista. C₄-kasveja esiintyy vain maapallon lämpimillä alueilla, päiväntasaajasta 45^o leveyspiireille. Normaali ulkoilman hiilidioksidipitoisuus tällä hetkellä on 411 ppm.

Ihminen tarvitsee noin 50 litraa happea tunnissa, kasvien lehdet tuottavat vaihtelevan määrää happea riippuen kasvien iästä, vuorokauden ajasta, hiilidioksidipitoisuudesta ilmassa ja kasvilajissa, jokainen lehti tuottaa happea  tunnissa noin 5 millilitraa eli ihminen tarvitsee noin 10000 lehteä hapen tarpeeseensa.

Varhaisempia fotosynteesiin liittyviä löydöksiä on löydetty fossiileista, jotka ajoitettu noin 3.4 miljardin vuoden päästä nykyhetkestä. Kyky käyttää vettä elektronin luovuttajana fotosynteesissä kehittyi ensin syanobakteereilla noin 2.4 miljardia vuotta sitten, se milloin happea tuottava fotosynteesi alkoi, ei ole vielä tiedossa. Syanobakteerit toimivat pääasiallisesti hapen tuottajina noin 2.5- 0,5 miljardia vuotta sitten, Nykyisen muotoinen hapen tuottaminen pääsi käyntiin noin 251-65 miljoonaa vuotta sitten kehittyneempien levien myötä. Fotosynteesin myötä happi tuli hiilidioksidin sijasta typen rinnalle ilmakehän toiseksi ainesosaksi. Happamuus väheni ilmasta ja vesistä, mikä mahdollisti suuremman biodiversiteetin.

Maaplaneetan kaikesta hapesta noin 99,5 % on sitoutunut maankuoren mineraaleihin, noin 0,36 % siitä on ilmakehässä ja 0,01 % eliöissä. Happea vapautuu ilmakehään kasvien yhteyttämisessä eli fotosynteesissä, vesi ja hiilidioksidi reagoivat keskenään sitoen auringonsäteilyn energiaa ja synnyttäen sokeria ja happea. Osa veden ja hiilidioksidin happiatomeista sitoutuu muodostuviin orgaanisiin yhdisteisiin ja suurempi osa niistä vapautuu happikaasuna ilmakehään.

Kuusi vesimolekyyliä H²O ja kuusi hiilidioksidimolekyyliä CO₂ muodostavat yhteyttämistuotteina yhden glukoosimolekyylin C6H₁₂O₆ lisäksi kuusi happimolekyyliä O².

6 CO² (hiilidioksidi) + 6 H²O (vesi) + valoenergia -(nuoli) C₆H₁₂O₆ (glukoosi) + 6 O² (happi)

Yllämainittu reaktio tuottaa suurimman osan Maan ilmakehän hapesta. Yhteyttävien eliöiden kehittyminen synnytti nykyisen hapekkaan ilmakehän, jossa happea on 20,94 %.

Hiilihydraatteja esiintyy yleisesti kasveissa, eläimissä. Korkeampien kasvien päärakenneaineet ovat selluloosa ja hemiselluloosa. Lisäksi kasvit sisältävät huomattavia määriä tärkkelystä, pektiinejä ja pienimolekyylisiä sokereita, erityisesti sakkarooseja, glukoosia ja fruktoosia.  Eläimissä päähiilihydraatit ovat glykogeeni ja glukoosi. Kaikissa soluissa esiintyvät nukleiinihapot sisältävät riboosia jadeoksidiriboosia. Mikrobien solunseinämien ja kuorien pääosa ovat polysakkarideja. Hiilihydraatit ovat yksi eläinten ravinnon kolmesta pääryhmästä. Niiden palaessa elimistössä täydellisesti hiilidioksidiksi ja vedeksi vapautuu energiaa 4 kcal/g.

Palaminen on kemiallinen reaktio polttoaineen ja hapettimen välillä, joka tuottaa energiaa, yleensä lämmön ja valon muodossa. Palaminen vapauttaa lämpöä, kun happiatomien välinen kaksoissidos O₂ :ssa   heikompi kuin yksinkertaiset sidokset tai muut kaksoissidokset. Vaikka energia absorboituu reaktiossa, se vapautuu, vahvemmat sidokset muodostavat hiilidioksidin (CO₂)  ja veden (H₂O)  muodostamiseksi. Esimerkiksi puupalan palaessa energia saadaan tulitikusta, reaktion aktivointienergia on käytettävissä, puussa oleva selluloosa (hiilihydraatti) reagoi ilman hapen kanssa tuottaen lämpöä, valoa, savua, tuhkaa, hiilidioksidia, vettä ja muita kaasuja. Palamisreaktio on vetykaasun ja happikaasun välinen reaktio vesihöyryn tuottamiseksi: 2H₂(g) + O₂ (g) - 2 H₂O (g).

Fotosynteesi tapahtuu kahdessa jaksossa ns. valoreaktiossa ja pimeäreaktiossa. Valoreaktioissa auringon energiaa sidotaan molekyyleihin, pimeäreaktiossa tapahtuu hiilen sitominen. Tärkeimpänä fotosynteesin tuloksena on, että valon fotonien energia saadaan sidotuksi pysyvään, varastoitavaan muotoon myöhempää käyttöä varten. Tämän energian avulla eliö tuottaa myös kaikki monimutkaisemmat yhdisteet, selluloosan, proteiinit ja lipidit.

Hiilidioksidi CO₂ on hiilestä ja hapesta koostuva kemiallinen yhdiste, hajuton, väritön, myrkytön ja huonosti reagoiva kaasu. Sitä esiintyy ilmakehässä luontaisesti ja sen pitoisuus on vaihdellut eri aikakausina. Maan ilmakehö koostuu nyt pääasiassa typestä (78 %) ja hapesta (21 %) argonista (0,093%) hiilidioksidista (0,04 %) sekä pienistä eristä muita kaasuja.

Maalla on ollut kolme eri kaasukehää, varhaisin niistä syntyi maan muodostumisen jälkeen 4.6 miljardia vuotta sitten, se oli ohut ja koostui pääasiassa vedyn ja heliumin sekoituksesta. Toinen kaasukehä syntyi seuraavien satojen miljoonien vuosien aikana purkautuneiden useiden valtavien tulivuorten purkauskaasuista, lisäksi maahan kulkeutui meteoriittien mukana jääkimpaleita, jotka vaikuttivat kaasukehän koostumukseen.

Maapallon alkuilmakehä 4.5 miljardia vuotta sitten koostui vesihöyryistä, hiilidioksidista vedystä ja typestä, happea ei vielä ollut. Hapen määrä alkoi lisääntyä vasta 3.5 miljardia vuotta sitten, kun ensimmäiset happea tuottavat bakteerit syntyivät, niillä oli kyky pilkkoa vettä vedyksi ja hapeksi. Vähitellen hapen määrä kasvoi ilmakehässä ja vapaan vedyn määrä väheni. Hapen määrä vielä kaksi miljardia vuotta sitten oli vain noin sadasosa nykyisestä. Hapen lisääntyminen aloitti myös otsonikerroksen syntymisprosessin.

Hiilidioksidipitoisuus ilmakehässä  oli vielä noin 500 miljoonaa vuotta sitten 15-kertainen nykyiseen verrattuna, nykyisen happipitoisuuden ilmakehä saavutti 360 miljoonaa vuotta sitten ja hiilidioksidipitoisuus oli laskenut lähelle nykytasoa. Hiilidioksidin on osoittanut lisäävän kasvien kasvua. Suomi on hyötynyt hiilidioksidipitoisuuksien kasvusta ilmakehässä viime vuosikymmeninä, kasvit ovat lisänneet kasvuaan noin 1 % vuosittain 1960 luvulta lähtien, kun mittaustuloksia on ollut saatavilla. Kasvihuoneiden ilmaa voidaan rikastaa hiilidioksidilla, jotta niissä olevat kasvit voivat optimoida fotosynteesipotentiaalinsa eli saadan runsaampaa kasvua aikaan. Hiilidioksidia syntyy hiilipitoisten aineiden palamistuotteena sekä soluhengityksessä. Hiilidioksidin lähteitä ovat myös tulivuorien purkaukset,  kuumat lähteet, geyshirit. Kasvit käyttävät hiilidioksidia raaka-aineena orgaanisten yhdisteiden valmistuksessa eli yhteyttämisessä. Hiilidioksidin kasvu ilmakehässä seuraa lämpötilan nousua. Hiilidioksidin hyödyistä on lisäksi mainittu tehokkaampi vesitalous, kun kasvi vähentää hengittämistä, muiden ravinteiden niukkuus saattaa tulla vastaan 600 ppm:n paikkeilla.  Luonnossa hiilidioksidi vapautuu ilmakehään orgaanisten aineiden palamisen ja mätänemisen seurauksena, hiilidioksidi on elintärkeä osa maapallon suotuisten elinolosuhteiden ylläpitomekanismia. yhdessä muiden kasvihuonekaasujen kanssa se estää maanpinnan lämpösäteilyn karkaamisen avaruuteen, ilman sitä maapallon pinta olisi noin 33 astetta kylmempi. 

Kun hiilidioksidi liukenee vesistöihin, vedessä se muuttuu karbonaatiksi, joka on vesieliöiden ja -kasvien ravintoa. Eliöiden ja kasvien kuollessa ja maatuessa karbonaatit siirtyvät maa- ja kallioperään, jossa ne muodostavat kerrostumia. Hiiltä kulkeutuu maaperään maatuneistq maaeläimistä ja -kasveista, näistä jäännöksistä on kehittynyt miljoonien vuosien kuluessa maan kuoren sisään kivihiiltä, maakaasua, öljyä ja turvetta.

Hiilidioksidia käytetään teollisuudessa monin eri tavoin. Yleisimmät käyttötarkoituksista ovat energian käyttö kylmäkuljetuksissa ja inertointiaineena kemikaali- ja elintarviketeollisuudessa, estää myös tiettyjen tuotteiden hapettumista. Hiilidioksidia käytetään kofeiinin poistamiseen kahvista, juomien hapotukseen virvoitusjuomissa, olueissa ja viineissä. Nestemäistä hiilidioksidista  valmistetaan hiilihappojäätä ruokatarjoiluun pitäen jäätelöt ja juomat kylminä, se sopii palavien nesteiden bensiinien, öljyjen ja rasvojen sammuttamiseen, sillä se syrjäyttää ja laimentaa hapen palavan kohteen ympäriltä.

Teollinen hyödyntäminen onnistuu myös hiilidioksidin talteenotossa joko suoraan päästölähteestä tai ilmasta. Savukaasujen hiilidioksidin poistoon on tarjolla useita menetelmiä. Polton jälkeisessä talteenotossa hiilidioksidi poistetaan piippuun menevästä savukaasusta pesureilla. Ennen polttoa tapahtuvassa talteenotossa kiinteä polttoaine muunnetaan ensin kaasumaiseen muotoon, hiilidioksidi poistetaan tuotekaasusta ja otetaan talteen ja jäljelle jäävä tuotekaasu käytetään polttoaineena. Kolmas käytetty talteenottomenetelmä on happipoltto, jossa käytetään puhdasta happea polttoaineen polttamiseen, tällöin poistuva savukaasu on lähes puhdasta vesihöyryä ja hiilidioksidia, jotka voidaan erottaa helposti toisistaan. 

Potentiaalisia hiilidioksidin varastointitekniikoita ovat merenalaiset onkalot, sidotaan biomassaan tai sidotaan kiinteiksi mineraaleiksi. Neste Oyj:n mukaan innovaatiset menetelmät hiilidioksidin talteenottoon, varastointiin ja hyödyntämiseen  voivat muuttaa liialliset hiilidioksidipäästöt ongelmasta ratkaisuisiksi. Talteenotossa hiilidioksidia voidaan hyödyntää Power-to-X teknologian raaka-aineena, kun uusiutuvalla sähköllä tuotetaan vihreää vetyä. Power to X teknologia, jossa "power" tarkoittaa uusiutuvaa sähköä, "X" eri tuotteita prosesseissa hyödynnettävien uusiutuvista lähteistä peräisin olevia hiilidioksidipäästöjä yhdessä vihreän vedyn kansa ja tuotetaan polttoaineita ja petrokemian teollisuuden raaka-aineita, joita voidaan käyttää nykyisessä infrastruktuureissa.  Hiilidioksidipäästöjä on perinteisesti pidetty jätteenä, mutta CCU-teknologian ansiosta niiden taloudellinen arvo on kasvanut. Hiilidioksidin talteenotto vähentää ilmakehään vapautuvan hiilidioksidin määrää. 

Talteenotetuista hiilidioksidista ja uusiutuvasta vedystä syntetisoidut hiilivedyt ovat kemialliselta koostumukseltaan samanlaisia kuin fossiilisen öljyn hiilivedyt. Niitä käytetään petrokemian teollisuuden raaka-aineina vaahtomuovin, lattianpäällysteiden, autonosien, eristeiden ja muiden tuotteiden tuotannossa ja ne ovat keskeisessä asemassa kiertotalouden ja vastuullisen ratkaisujen edistämisessä.

"Hiilidioksidin osuus ihmsen kehossa on myös tärkeä, kun sisäänhengitys tuo elimistöön happea ja uloshengitys poistaa ylimääräisen hiilidioksidin, paino sanalla ylimääräinen, sillä kaikkea hiilidioksidia ei kannata puhaltaa ulos, koska hiilidioksidivajeesta aiheutuu elimistöön happivaje. Hiilidioksidi on hapensaannin kannalta tärkeä, Kun hengitämme happea sisään keuhkoihin, ei riitä, että se on keuhkoissa, vaan sen täytyy jatkaa matkaa kehomme kaikkiin osiin, kyydin hapelle antaa veri, sekään ei riitä, että happi on veressä, vaan hapen täytyy vapautua verestä päästäkseen siirtymään lihaksiin, elimiin ja kudoksiin, tähän vapautumiseen tarvitaan hiilidioksidia. Hiilidioksidivaje aiheuttaa happivajeen lisäksi happo-emäs tasapainon horjumisen sekä sileiden lihasten supistumisen. Sileät lihakset ympäröivät mm. verisuonia sekä hengitysteitä. Niiden supistuminen tuntuu hengenahdistukselta sekä painon tunteena rintakehällä. Verisuonten supistuminen tuntuu huimaukselta sekä käsien ja jalkojen kylmyytenä sekä puutumisena.

Happo-emästasapainon horjuminen tarkoittaa liikahengityksen yhteydessä sitä, että kun hapanta hiilidioksidia poistuu liikaa, syntyy respiratorinen alkaloosi. Elimistö pyrkii korjaamaan häiriötilan kompensoimalla puskurijärjestelmiä eli keuhkojen ja munuaisten avulla. Pitkällä tähtäimellä puskuroinneista seuraa omat ongelmansa, koska munuaiset tulevat puskuroinnin yhteydessä poistaneeksi tärkeitä elekrolyyttejä ja mineraaleja kuten magnesiumia, kalsiumia ja kaliumia. Tuloksena on mm. käsien ja jalkojen pistelyä, "levottomat jalat" sekä lihaskrampit".

Hiillidioksidi on monessa mukana elintärkeänä osana elämää, nykyisin hiilidioksidi tuodaan esiin vain kielteisessä valossa haittakaasuna, kun  ongelmaksi koetaan ilmanalan lämpeneminen, vaikka sekin saattaa olla osa suurempaa maapallon toimintaa jääkausien välissä.  On vain sopeuduttava maapallolla tapahtuviin muutoksiin. Tärkeää on, että pyrimme estämään kaikenlaista saastumista ja jätteiden heittämistä luontoon ja meriin. Kokonaisvaltainen vastuu luonnosta on merkittävä osa vastuullisen ihmisen toimintaa.

Arja Kolehmainen 12.02.2024 Helsinki

Lähteet: Wikipedia, Helen.fi, Neste.fi, Tieku.fi ja Duodecim.fi