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 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 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 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) in изменение климата 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.
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 carbon stocks can offset the current increase in carbon emission in the atmosphere and contribute to meet the климат target). However, the interplay of factors influencing trapping of plant-based 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 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 изменение климата.
Ссылки:
- 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
- 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
- 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
