Uusi tutkimus tutki maaperän biomolekyylien ja savimineraalien välisiä vuorovaikutuksia ja valotti tekijöitä, jotka vaikuttavat kasviperäisen hiilen sitomiseen maaperään. Todettiin, että biomolekyylien ja savimineraalien varauksella, biomolekyylien rakenteella, maaperän luonnollisilla metalliainesosilla ja biomolekyylien välisellä pariutumisella on keskeinen rooli maaperän hiilen sitomisessa. Vaikka positiivisesti varautuneiden metalli-ionien läsnäolo maaperässä suosi hiilen vangitsemista, biomolekyylien sähköstaattinen pariutuminen esti biomolekyylien adsorptiota savimineraaleihin. Löydökset voivat auttaa ennustamaan maaperän kemikaaleja, jotka ovat tehokkaimpia hiilen vangitsemisessa maaperään, mikä puolestaan voisi valmistaa maaperään perustuvia ratkaisuja ilmakehän hiilen vähentämiseen ja ilmaston lämpenemiseen ja ilmastonmuutos.
Hiilen kiertokulkuun liittyy hiilen siirtyminen ilmakehästä kasveihin ja eläimiin maan päällä ja takaisin ilmakehään. Meri, ilmakehä ja elävät organismit ovat pääsäiliöitä tai nieluja, joiden läpi hiili kiertää. Paljon hiili varastoituu/sekvestroituu kiviin, sedimentteihin ja maaperään. Kivien ja sedimenttien kuolleista organismeista voi tulla fossiilisia polttoaineita miljoonien vuosien kuluessa. Fossiilisten polttoaineiden polttaminen energiatarpeiden tyydyttämiseksi vapauttaa ilmakehään suuria määriä hiiltä, mikä on kallistanut ilmakehän hiilitasapainoa ja myötävaikuttanut ilmaston lämpenemiseen ja sen seurauksena. ilmastonmuutos.
Ilmaston lämpeneminen pyritään rajoittamaan 1.5 celsiusasteeseen verrattuna esiteolliseen aikaan vuoteen 2050 mennessä. Jotta ilmaston lämpeneminen rajoitetaan 1.5 asteeseen, kasvihuonekaasupäästöjen on oltava huippunsa ennen vuotta 2025 ja puolitettava vuoteen 2030 mennessä. Viimeaikainen globaali tilannearvio paljasti, että maailma ei ole oikealla tiellä rajoittamaan lämpötilan nousua 1.5 asteeseen tämän vuosisadan loppuun mennessä. Siirtymä ei ole tarpeeksi nopea, jotta kasvihuonekaasupäästöjä voitaisiin vähentää 43 prosentilla vuoteen 2030 mennessä, mikä voisi rajoittaa ilmaston lämpenemistä nykyisten tavoitteiden mukaisesti.
Tässä yhteydessä maaperän rooli orgaaninen hiili (SOC) sisään ilmastonmuutos on saamassa merkitystä sekä mahdollisena hiilidioksidipäästöjen lähteenä vastauksena ilmaston lämpenemiseen että luonnollisena ilmakehän hiilen nieluna.
Historiallisesta perinnöllisestä hiilikuormasta (eli noin 1,000 1750 miljardin tonnin hiilidioksidipäästöt vuodesta XNUMX, jolloin teollinen vallankumous alkoi) huolimatta maapallon lämpötilan noususta voi vapautua enemmän hiiltä maaperästä ilmakehässä, minkä vuoksi on välttämätöntä säilyttää olemassa oleva maaperän hiilivarastot.
Maaperä nieluna orgaaninen hiili
Maaperä on edelleen maapallon toiseksi suurin (valtameren jälkeen) uppoa orgaaninen hiili. Siinä on noin 2,500 0.90 miljardia tonnia hiiltä, mikä on noin kymmenen kertaa ilmakehässä oleva määrä, mutta sillä on kuitenkin valtavat hyödyntämättömät mahdollisuudet sitoa ilmakehän hiiltä. Viljelyt voivat vangita 1.85–1 petagrammaa (10 pg = XNUMX15 grammaa) hiiltä (Pg C) vuodessa, mikä on noin 26–53 % tavoitteesta.4 per 1000-aloite” (eli 0.4 %:n vuotuinen kasvuvauhti seisovasta globaalista maaperästä orgaaninen hiilivarastot voivat kompensoida ilmakehän hiilidioksidipäästöjen nykyistä kasvua ja edistää päästöjen täyttämistä ilmasto kohde). Kuitenkin ansastukseen vaikuttavien tekijöiden vuorovaikutus kasviperäisten orgaaninen maaperän ainetta ei ymmärretä kovin hyvin.
Mikä vaikuttaa hiilen lukittumiseen maaperään
Uusi tutkimus valaisee, mikä määrittää, onko kasvipohjainen orgaaninen aine jää loukkuun joutuessaan maaperään tai päätyykö se ruokkimaan mikrobeja ja palauttamaan hiiltä ilmakehään hiilidioksidin muodossa2. Tutkittuaan biomolekyylien ja savimineraalien välisiä vuorovaikutuksia tutkijat havaitsivat, että biomolekyylien ja savimineraalien varauksella, biomolekyylien rakenteella, maaperän luonnollisilla metalliainesosilla ja biomolekyylien välisellä pariutumisella on keskeinen rooli hiilen sitomisessa maaperään.
Savimineraalien ja yksittäisten biomolekyylien välisten vuorovaikutusten tarkastelu paljasti, että sitoutuminen oli ennustettavissa. Koska savimineraalit ovat negatiivisesti varautuneita, biomolekyylit, joissa oli positiivisesti varautuneita komponentteja (lysiini, histidiini ja treoniini), sitoutuivat voimakkaasti. Sitoutumiseen vaikuttaa myös se, onko biomolekyyli tarpeeksi joustava kohdistamaan positiivisesti varautuneet komponentit negatiivisesti varautuneiden savimineraalien kanssa.
Sähköstaattisen varauksen ja biomolekyylien rakenteellisten ominaisuuksien lisäksi maaperän luonnollisilla metalliainesosilla havaittiin olevan tärkeä rooli siltojen muodostumisen kautta tapahtuvassa sitoutumisessa. Esimerkiksi positiivisesti varautunut magnesium ja kalsium muodostivat sillan negatiivisesti varautuneiden biomolekyylien ja savimineraalien välille muodostaen sidoksen, mikä viittaa siihen, että maaperässä olevat luonnolliset metalliaineosat voivat helpottaa hiilen vangitsemista maaperään.
Toisaalta itse biomolekyylien välinen sähköstaattinen vetovoima vaikutti sitoutumiseen haitallisesti. Itse asiassa biomolekyylien välisen vetovoiman havaittiin olevan korkeampi kuin biomolekyylin vetovoiman saven mineraaliin. Tämä merkitsi biomolekyylien vähentynyttä adsorptiota saveen. Näin ollen vaikka positiivisesti varautuneiden metalli-ionien läsnäolo maaperässä suosi hiilen vangitsemista, biomolekyylien välinen sähköstaattinen pariutuminen esti biomolekyylien adsorptiota savimineraaleihin.
Nämä uudet havainnot siitä, miten orgaaninen hiilen biomolekyylit sitoutuvat maaperän savimineraaleihin voisivat auttaa muokkaamaan maaperän kemiaa sopivasti edistämään hiilen vangitsemista, mikä tasoittaa tietä maaperäisille ratkaisuille ilmastonmuutos.
***
Viitteet:
- Zomer, RJ, Bossio, DA, Sommer, R. et ai. Lisääntyneen orgaanisen hiilen globaali sitomispotentiaali viljelysmailla. Sci Rep 7, 15554 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-15794-8
- Rumpel, C., Amiraslani, F., Chenu, C. et ai. 4p1000-aloite: Mahdollisuudet, rajoitukset ja haasteet maaperän orgaanisen hiilen sitomisen toteuttamiselle kestävän kehityksen strategiana. Ambio 49, 350–360 (2020). https://doi.org/10.1007/s13280-019-01165-2
- Wang J., Wilson RS ja Aristilde L., 2024. Sähköstaattinen kytkentä ja vesisillat biomolekyylien adsorptiohierarkiassa veden ja savi rajapinnoilla. PNAS. 8. helmikuuta 2024.121 7 (2316569121) eXNUMX. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2316569121
***
