На пути к почвенному решению проблемы изменения климата 

Новое исследование изучило взаимодействие между биомолекулами и глинистыми минералами в почве и пролило свет на факторы, влияющие на улавливание растительного углерода в почве. Было обнаружено, что ключевую роль в секвестрации углерода в почве играют заряд биомолекул и глинистых минералов, структура биомолекул, природные металлические компоненты в почве и пары между биомолекулами. В то время как присутствие положительно заряженных ионов металлов в почвах способствовало улавливанию углерода, электростатическое спаривание между биомолекулами ингибировало адсорбцию биомолекул глинистыми минералами. Полученные результаты могут быть полезны для прогнозирования химического состава почвы, наиболее эффективного для улавливания углерода в почве, что, в свою очередь, может проложить путь к почвенным решениям для сокращения углерода в атмосфере и глобального потепления. изменение климата.   

Углеродный цикл включает перемещение углерода из атмосферы в растения и животных на Земле и обратно в атмосферу. Океан, атмосфера и живые организмы являются основными резервуарами или поглотителями углерода, через которые происходит круговорот углерода. Много углерод хранится/изолируется в камнях, отложениях и почвах. Мертвые организмы в горных породах и отложениях могут стать ископаемым топливом в течение миллионов лет. Сжигание ископаемого топлива для удовлетворения энергетических потребностей приводит к выбросу большого количества углерода в атмосферу, что нарушило баланс углерода в атмосфере и способствовало глобальному потеплению и, как следствие, изменение климата.  

Предпринимаются усилия по ограничению глобального потепления до 1.5°C по сравнению с доиндустриальным уровнем к 2050 году. Чтобы ограничить глобальное потепление до 1.5°C, выбросы парниковых газов должны достичь пика до 2025 года и сократиться вдвое к 2030 году. Однако недавний глобальный подведение итогов показало, что мир не находится на пути к ограничению повышения температуры до 1.5°C к концу этого столетия. Этот переход не является достаточно быстрым, чтобы к 43 году добиться сокращения выбросов парниковых газов на 2030%, что могло бы ограничить глобальное потепление в рамках нынешних амбиций. 

Именно в этом контексте роль почвы органический углерод (SOC) в изменение климата приобретает все большее значение как в качестве потенциального источника выбросов углерода в ответ на глобальное потепление, так и в качестве естественного поглотителя атмосферного углерода.  

Несмотря на историческое наследие выбросов углерода (т.е. выбросы около 1,000 миллиардов тонн углерода с 1750 года, когда началась промышленная революция), любое повышение глобальной температуры потенциально может привести к выбросу большего количества углерода из почвы в атмосферу, следовательно, необходимо сохранить существующие запасы углерода в почве.   

Почва как поглотитель органический углерод 

Почва по-прежнему является вторым по величине (после океана) поглотителем воды на Земле. органический углерод. Он содержит около 2,500 миллиардов тонн углерода, что примерно в десять раз превышает его количество в атмосфере, но при этом имеет огромный неиспользованный потенциал по улавливанию атмосферного углерода. Возделываемые земли могут улавливать от 0.90 до 1.85 петаграммов (1 Пг = 10¹⁵ граммов углерода (Pg C) в год, что составляет около 26–53% от целевого показателя «4 за Инициативу 1000(т.е. ежегодные темпы роста постоянной глобальной почвы составляют 0.4%). органический запасы углерода могут компенсировать нынешний рост выбросов углерода в атмосферу и способствовать удовлетворению климат цель). Однако взаимодействие факторов, влияющих на отлов растительных органический вещество в почве не очень хорошо изучено. 

Что влияет на закрепление углерода в почве  

Новое исследование проливает свет на то, что определяет, являются ли растительные продукты органический вещество будет задерживаться при попадании в почву или же оно будет питать микробы и возвращать углерод в атмосферу в виде CO.₂. Изучив взаимодействие между биомолекулами и глинистыми минералами, исследователи обнаружили, что заряд биомолекул и глинистых минералов, структура биомолекул, природные металлические компоненты в почве и пары между биомолекулами играют ключевую роль в секвестрации углерода в почве.  

Исследование взаимодействий между глинистыми минералами и отдельными биомолекулами показало, что связывание было предсказуемым. Поскольку глинистые минералы заряжены отрицательно, биомолекулы с положительно заряженными компонентами (лизин, гистидин и треонин) испытывают сильное связывание. На связывание также влияет то, достаточно ли гибка биомолекула, чтобы выравнивать свои положительно заряженные компоненты с отрицательно заряженными глинистыми минералами.  

Было обнаружено, что помимо электростатического заряда и структурных особенностей биомолекул естественные металлические компоненты почвы играют важную роль в связывании посредством образования мостиков. Например, положительно заряженные магний и кальций образуют мостик между отрицательно заряженными биомолекулами и глинистыми минералами, создавая связь, что позволяет предположить, что природные металлические компоненты в почве могут способствовать улавливанию углерода в почве.  

С другой стороны, электростатическое притяжение между самими биомолекулами отрицательно влияло на связывание. Фактически энергия притяжения между биомолекулами оказалась выше, чем энергия притяжения биомолекулы к глинистому минералу. Это означало снижение адсорбции биомолекул глиной. Таким образом, хотя наличие положительно заряженных ионов металлов в почвах способствовало улавливанию углерода, электростатическое спаривание между биомолекулами ингибировало адсорбцию биомолекул глинистыми минералами.  

Эти новые данные о том, как органический биомолекулы углерода, связывающиеся с глинистыми минералами в почве, могут помочь изменить химический состав почвы таким образом, чтобы способствовать улавливанию углерода, тем самым проложив путь для почвенных решений для изменение климата. 

Ссылки:  

1. Зомер Р.Дж., Боссио Д.А., Соммер Р. и др. Глобальный потенциал секвестрации повышенного содержания органического углерода в почвах пахотных земель. Sci Rep 7, 15554 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-15794-8 

2. Румпель К., Амираслани Ф., Чену К. и др. Инициатива 4p1000: возможности, ограничения и проблемы реализации связывания органического углерода почвой в качестве стратегии устойчивого развития. Амбио 49, 350–360 (2020). https://doi.org/10.1007/s13280-019-01165-2  

3. Ван Дж., Уилсон Р.С. и Аристильда Л., 2024. Электростатическое взаимодействие и образование водных мостиков в иерархии адсорбции биомолекул на границе раздела вода-глина. ПНАС. 8 февраля 2024.121 г. 7 (2316569121) eXNUMX. ДОИ: https://doi.org/10.1073/pnas.2316569121