Новое исследование изучило взаимодействие биомолекул и глинистых минералов в почве и пролило свет на факторы, влияющие на улавливание углерода растительного происхождения в почве. Было установлено, что заряд биомолекул и глинистых минералов, структура биомолекул, природные металлические компоненты в почве и взаимодействие между биомолекулами играют ключевую роль в связывании углерода в почве. В то время как присутствие положительно заряженных ионов металлов в почве способствовало улавливанию углерода, электростатическое взаимодействие между биомолекулами препятствовало адсорбции биомолекул на глинистых минералах. Полученные результаты могут помочь в прогнозировании наиболее эффективного химического состава почвы для улавливания углерода, что, в свою очередь, может проложить путь к почвенным решениям для снижения содержания углерода в атмосфере, а также для борьбы с глобальным потеплением и изменением климата.
Круговорот углерода 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, через которые проходит углерод. Значительная часть углерода хранится/депонируется в горных породах, отложениях и почвах. Мертвые организмы в горных породах и отложениях могут превратиться в ископаемое топливо в течение миллионов лет. Сжигание ископаемого топлива для удовлетворения энергетических потребностей высвобождает большое количество углерода в атмосферу, что нарушает атмосферный углеродный баланс и способствует глобальному потеплению и, как следствие, изменению 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 органического углерода почвы (ОУП) в изменении 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 органического углерода
Почва по-прежнему является вторым по величине (после океана) поглотителем органического углерода на Земле . Она содержит около 2,500 миллиардов тонн углерода, что примерно в десять раз больше, чем в атмосфере, и при этом обладает огромным неиспользованным потенциалом для связывания атмосферного углерода. Сельскохозяйственные угодья могут улавливать от 0.90 до 1.85 петаграмм (1 Пг = 10¹⁵ грамм ) углерода (Пг С) в год, что составляет около 26–53% от целевого показателя « Инициативы 4 на 1000 » (то есть, ежегодный прирост запасов органического углерода в почве на 0.4% может компенсировать текущий рост выбросов углерода в атмосферу и способствовать достижению климатической цели). Однако взаимодействие факторов, влияющих на улавливание органического вещества растительного происхождения в почве, изучено недостаточно.
Что влияет на закрепление углерода в почве
Новое исследование проливает свет на то, что определяет, будет ли органическое вещество растительного происхождения задерживаться в почве или же оно будет служить пищей для микроорганизмов и возвращать углерод в атмосферу в виде CO₂ . Изучив взаимодействия между биомолекулами и глинистыми минералами, исследователи обнаружили, что заряд биомолекул и глинистых минералов, структура биомолекул, природные металлические компоненты в почве и взаимодействие между биомолекулами играют ключевую роль в связывании 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 органические углеродные биомолекулы связываются с глинистыми минералами в почве, могут помочь соответствующим образом изменить химический состав почвы, чтобы способствовать улавливанию углерода, тем самым открывая путь к почвенным решениям проблемы изменения 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
