A new study examined interactions between biomolecules and clay minerals in the soil and shed light on factors that influence trapping of plant-based carbon in the soil. It was found that charge on biomolecules and clay minerals, structure of biomolecules, natural metal constituents in the soil and pairing between biomolecules play key roles in sequestration of carbon in the soil. While presence of positively charged metal ions in the soils favoured carbon trapping, the electrostatic pairing between biomolecules inhibited adsorption of biomolecules to the clay minerals. The findings could be helpful in predicting soil chemistries most effective in trapping carbon in soil which in turn, could pave way for soil-based solutions for reducing carbon in atmosphere and for global warming and klimata pārmaiņas.
Oglekļa cikls ietver oglekļa pārvietošanos no atmosfēras uz augiem un dzīvniekiem uz Zemes un atpakaļ atmosfērā. Okeāns, atmosfēra un dzīvie organismi ir galvenie rezervuāri vai izlietnes, caur kurām cirkulē ogleklis. Daudz ogleklis is stored/sequestrated in rocks, sediments and soils. The dead organisms in rocks and sediments may become fossil fuels over millions of years. Burning of the fossil fuels to meet energy needs release large amount of carbon in the atmosphere which has tipped the atmospheric carbon balance and contributed to global warming and consequent klimata pārmaiņas.
Tiek pieliktas pūles, lai līdz 1.5. gadam globālo sasilšanu ierobežotu līdz 2050°C salīdzinājumā ar pirmsindustriālā laikmeta līmeni. Lai ierobežotu globālo sasilšanu līdz 1.5°C, siltumnīcefekta gāzu emisijām ir jāsasniedz maksimums līdz 2025. gadam un jāsamazina uz pusi līdz 2030. gadam. Tomēr nesenais globālais novērtējums atklāja, ka pasaule nav uz pareizā ceļa, lai līdz šī gadsimta beigām ierobežotu temperatūras pieaugumu līdz 1.5°C. Pāreja nav pietiekami ātra, lai līdz 43. gadam panāktu siltumnīcefekta gāzu emisiju samazinājumu par 2030 %, kas varētu ierobežot globālo sasilšanu pašreizējo mērķu ietvaros.
It is in this context that the role of soil organiskais ogleklis (SOC) in klimata pārmaiņas is gaining importance both as a potential source of carbon emission in response to global warming as well as a natural sink of atmospheric carbon.
Neraugoties uz vēsturisko mantoto oglekļa slodzi (ti, aptuveni 1,000 miljardu tonnu oglekļa emisija kopš 1750. gada, kad sākās rūpnieciskā revolūcija), neskatoties uz to, jebkura globālās temperatūras paaugstināšanās var izdalīt vairāk oglekļa no augsnes atmosfērā, tāpēc ir nepieciešams saglabāt esošo. augsnes oglekļa krājumi.
Soil as a sink of bioloģisks ogleklis
Soil is still Earth’s second largest (after ocean) sink of bioloģisks carbon. It holds about 2,500 billion tons of carbon which is about ten times the amount held in the atmosphere, yet it has huge untapped potential to sequester atmospheric carbon. Croplands could trap between 0.90 and 1.85 petagrams (1 Pg = 1015 grami) oglekļa (Pg C) gadā, kas ir aptuveni 26–53% no mērķa "4 uz 1000 iniciatīvu” (that is, 0.4% annual growth rate of the standing global soil bioloģisks carbon stocks can offset the current increase in carbon emission in the atmosphere and contribute to meet the klimats target). However, the interplay of factors influencing trapping of plant-based bioloģisks matter in the soil is not very well understood.
Kas ietekmē oglekļa bloķēšanu augsnē
A new study sheds light on what determines whether a plant-based bioloģisks matter will be trapped when it enters soil or whether it will end up feeding microbes and return carbon to the atmosphere in the form of CO2. Pēc biomolekulu un māla minerālu mijiedarbības izpētes pētnieki atklāja, ka lādiņam uz biomolekulām un māla minerāliem, biomolekulu struktūrai, dabīgām metāla sastāvdaļām augsnē un biomolekulu savienošanai ir galvenā loma oglekļa sekvestrācijā augsnē.
Pārbaudot mijiedarbību starp māla minerāliem un atsevišķām biomolekulām, atklājās, ka saistīšanās bija paredzama. Tā kā māla minerāli ir negatīvi lādēti, biomolekulas ar pozitīvi lādētām sastāvdaļām (lizīns, histidīns un treonīns) spēcīgi saistījās. Saistīšanu ietekmē arī tas, vai biomolekula ir pietiekami elastīga, lai tās pozitīvi lādētās sastāvdaļas saskaņotu ar negatīvi lādētajiem māla minerāliem.
Papildus elektrostatiskajam lādiņam un biomolekulu strukturālajām iezīmēm tika konstatēts, ka dabiskajām metālu sastāvdaļām augsnē ir svarīga loma saistīšanā, veidojot tiltus. Piemēram, pozitīvi lādētais magnijs un kalcijs veidoja tiltu starp negatīvi lādētajām biomolekulām un māla minerāliem, lai izveidotu saiti, kas liecina, ka augsnē esošās dabiskās metāla sastāvdaļas var atvieglot oglekļa uztveršanu augsnē.
No otras puses, elektrostatiskā pievilcība starp pašām biomolekulām negatīvi ietekmēja saistīšanos. Faktiski tika konstatēts, ka pievilkšanās enerģija starp biomolekulām ir augstāka nekā biomolekulas pievilkšanās enerģija māla minerālam. Tas nozīmēja samazinātu biomolekulu adsorbciju māliem. Tādējādi, lai gan pozitīvi lādētu metālu jonu klātbūtne augsnēs veicināja oglekļa uztveršanu, elektrostatiskā savienošana starp biomolekulām kavēja biomolekulu adsorbciju māla minerālos.
These new findings about how bioloģisks carbon biomolecules bind to the clay minerals in the soil could help modify the soil chemistries suitably to favour carbon trapping, thus pave way for soil-based solutions for klimata pārmaiņas.
***
Norādes:
- Zomer, RJ, Bossio, DA, Zomer, R. et al. Palielināta organiskā oglekļa globālās sekvestrācijas potenciāls aramzemes augsnēs. Sci Rep 7, 15554 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-15794-8
- Rumpel, C., Amiraslani, F., Chenu, C. et al. Iniciatīva 4p1000: iespējas, ierobežojumi un izaicinājumi, lai īstenotu augsnes organiskā oglekļa piesaisti kā ilgtspējīgas attīstības stratēģiju. Ambio 49, 350–360 (2020). https://doi.org/10.1007/s13280-019-01165-2
- Wang J., Wilson RS un Aristilde L., 2024. Elektrostatiskā savienošana un ūdens tilts biomolekulu adsorbcijas hierarhijā ūdens un māla saskarnēs. PNAS. 8. gada 2024.121. februāris. 7 (2316569121) eXNUMX. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2316569121
***
