W kierunku rozwiązań opartych na glebie w zakresie zmian klimatycznych 

W nowym badaniu zbadano interakcje między biomolekułami a minerałami ilastymi w glebie i rzuciło światło na czynniki wpływające na wychwytywanie węgla pochodzenia roślinnego w glebie. Stwierdzono, że ładunek biomolekuł i minerałów ilastych, struktura biomolekuł, naturalne składniki metali w glebie i tworzenie par między biomolekułami odgrywają kluczową rolę w sekwestracji węgla w glebie. Podczas gdy obecność dodatnio naładowanych jonów metali w glebie sprzyjała wychwytywaniu węgla, parowanie elektrostatyczne między biocząsteczkami hamowało adsorpcję biomolekuł do minerałów ilastych. Odkrycia mogą być pomocne w przewidywaniu składu chemicznego gleby najskuteczniejszego w zatrzymywaniu węgla w glebie, co z kolei może utorować drogę rozwiązaniom glebowym pozwalającym na redukcję emisji dwutlenku węgla w atmosferze oraz globalne ocieplenie i zmiany klimatyczne.   

Cykl węglowy obejmuje przemieszczanie się węgla z atmosfery do roślin i zwierząt na Ziemi oraz z powrotem do atmosfery. Ocean, atmosfera i organizmy żywe to główne zbiorniki lub pochłaniacze, przez które krąży węgiel. Dużo węgiel jest magazynowany/sekwestrowany w skałach, osadach i glebie. Martwe organizmy w skałach i osadach mogą w ciągu milionów lat stać się paliwami kopalnymi. Spalanie paliw kopalnych w celu zaspokojenia potrzeb energetycznych powoduje uwolnienie dużych ilości węgla do atmosfery, co przechyliło równowagę węgla w atmosferze i przyczyniło się do globalnego ocieplenia, a w konsekwencji zmiany klimatyczne.  

Podejmowane są wysiłki, aby do 1.5 r. ograniczyć globalne ocieplenie do 2050°C w porównaniu z poziomem przedindustrialnym. Aby ograniczyć globalne ocieplenie do 1.5°C, emisje gazów cieplarnianych muszą osiągnąć szczyt przed 2025 r. i zmniejszyć się o połowę do 2030 r. Jednakże niedawny światowy przegląd wykazał, że ujawniło, że świat nie jest na dobrej drodze do ograniczenia wzrostu temperatury do 1.5°C do końca tego stulecia. Transformacja nie jest wystarczająco szybka, aby osiągnąć 43% redukcję emisji gazów cieplarnianych do 2030 r., co mogłoby ograniczyć globalne ocieplenie w ramach obecnych ambicji. 

W tym kontekście rola gleby węgiel organiczny (SOC) w zmiany klimatyczne zyskuje na znaczeniu zarówno jako potencjalne źródło emisji dwutlenku węgla w odpowiedzi na globalne ocieplenie, jak i naturalny pochłaniacz węgla atmosferycznego.  

Niezależnie od historycznego ładunku węgla (tj. emisji około 1,000 1750 miliardów ton węgla od XNUMX r., kiedy rozpoczęła się rewolucja przemysłowa), każdy wzrost globalnej temperatury może potencjalnie spowodować uwolnienie większej ilości węgla z gleby do atmosfery, dlatego konieczne jest zachowanie istniejących zasoby węgla w glebie.   

Gleba jako zlew organiczny węgiel 

Gleba jest nadal drugim co do wielkości (po oceanie) pochłaniaczem zanieczyszczeń na Ziemi organiczny węgiel. Zawiera około 2,500 miliardów ton węgla, czyli około dziesięciokrotnie więcej niż znajduje się w atmosferze, a mimo to ma ogromny niewykorzystany potencjał sekwestracji węgla atmosferycznego. Na polach uprawnych można uwięzić od 0.90 do 1.85 petagramów (1 Pg = 10¹⁵ gramów) węgla (Pg C) rocznie, co stanowi około 26–53% docelowej wartości „4 zgodnie z inicjatywą 1000” (tj. 0.4% rocznej stopy wzrostu stojącej gleby globalnej organiczny zasoby węgla mogą zrównoważyć obecny wzrost emisji dwutlenku węgla do atmosfery i przyczynić się do zaspokojenia potrzeb klimat cel). Jednakże wzajemne oddziaływanie czynników wpływających na odławianie roślin na bazie roślin organiczny materia w glebie nie jest zbyt dobrze poznana. 

Co wpływa na blokowanie węgla w glebie  

Nowe badanie rzuca światło na to, co decyduje o tym, czy produkt jest pochodzenia roślinnego organiczny materia zostanie uwięziona, gdy przedostanie się do gleby, czy też stanie się pokarmem dla drobnoustrojów i zwróci węgiel do atmosfery w postaci CO₂. Po zbadaniu interakcji między biomolekułami i minerałami ilastymi naukowcy odkryli, że ładunek biomolekuł i minerałów ilastych, struktura biomolekuł, naturalne składniki metali w glebie i parowanie między biomolekułami odgrywają kluczową rolę w sekwestracji węgla w glebie.  

Badanie interakcji między minerałami ilastymi a poszczególnymi biomolekułami wykazało, że wiązanie było przewidywalne. Ponieważ minerały ilaste są naładowane ujemnie, biocząsteczki zawierające dodatnio naładowane składniki (lizyna, histydyna i treonina) uległy silnemu wiązaniu. Na wiązanie wpływa również to, czy biocząsteczka jest wystarczająco elastyczna, aby dopasować swoje dodatnio naładowane składniki do ujemnie naładowanych minerałów ilastych.  

Oprócz ładunku elektrostatycznego i cech strukturalnych biomolekuł, odkryto, że naturalne składniki metali w glebie odgrywają ważną rolę w wiązaniu poprzez tworzenie mostków. Na przykład dodatnio naładowany magnez i wapń utworzyły pomost między ujemnie naładowanymi biocząsteczkami a minerałami ilastymi, tworząc wiązanie, co sugeruje, że naturalne składniki metali w glebie mogą ułatwiać wychwytywanie węgla w glebie.  

Z drugiej strony przyciąganie elektrostatyczne między samymi biomolekułami niekorzystnie wpływało na wiązanie. W rzeczywistości stwierdzono, że energia przyciągania między biocząsteczkami jest wyższa niż energia przyciągania biocząsteczki do minerału ilastego. Oznaczało to zmniejszoną adsorpcję biomolekuł na glinie. Tak więc, chociaż obecność dodatnio naładowanych jonów metali w glebie sprzyjała wychwytywaniu węgla, parowanie elektrostatyczne między biocząsteczkami hamowało adsorpcję biomolekuł do minerałów ilastych.  

Te nowe odkrycia na temat tego, jak organiczny biocząsteczki węgla wiążą się z minerałami ilastymi w glebie mogą pomóc w odpowiedniej modyfikacji składu chemicznego gleby, aby sprzyjać wychwytywaniu dwutlenku węgla, a tym samym utorować drogę rozwiązaniom glebowym w zakresie zmiany klimatyczne. 

*** 

Referencje:  

1. Zomer, RJ, Bossio, DA, Sommer, R. i in. Globalny potencjał sekwestracji zwiększonego węgla organicznego w glebach uprawnych. Sci Rep 7, 15554 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-15794-8 

2. Rumpel, C., Amiraslani, F., Chenu, C. i in. Inicjatywa 4p1000: Szanse, ograniczenia i wyzwania związane z wdrażaniem sekwestracji węgla organicznego w glebie jako strategii zrównoważonego rozwoju. Ambio 49, 350–360 (2020). https://doi.org/10.1007/s13280-019-01165-2  

3. Wang J., Wilson RS i Aristilde L., 2024. Sprzężenie elektrostatyczne i mostki wodne w hierarchii adsorpcji biomolekuł na granicy faz woda–glina. PNAS. 8 lutego 2024.121 r.7 (2316569121) eXNUMX. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2316569121  

***