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 změna klimatu.
Cyklus uhlíku zahrnuje pohyb uhlíku z atmosféry do rostlin a zvířat na Zemi a zpět do atmosféry. Oceán, atmosféra a živé organismy jsou hlavními rezervoáry nebo jímkami, kterými uhlík koluje. Hodně uhlík 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 změna klimatu.
Vyvíjejí se snahy omezit globální oteplování na 1.5 °C ve srovnání s předindustriální úrovní do roku 2050. Aby se globální oteplování omezilo na 1.5 °C, musí emise skleníkových plynů dosáhnout vrcholu před rokem 2025 a do roku 2030 se musí snížit na polovinu. odhalil, že svět není na cestě k omezení nárůstu teploty na 1.5 °C do konce tohoto století. Přechod není dostatečně rychlý, aby do roku 43 dosáhl 2030% snížení emisí skleníkových plynů, což by mohlo v rámci současných ambicí omezit globální oteplování.
V tomto kontextu hraje roli půda organický uhlík (SOC) in změna klimatu 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.
Bez ohledu na historickou zátěž uhlíku (tj. emise asi 1,000 1750 miliard tun uhlíku od roku XNUMX, kdy začala průmyslová revoluce), jakékoli zvýšení globální teploty má potenciál uvolnit více uhlíku z půdy v atmosféře, a proto je nutné zachovat stávající zásoby uhlíku v půdě.
Půda jako jímka organický uhlík
Půda je stále druhým největším propadem Země (po oceánu). organický uhlík. Obsahuje asi 2,500 0.90 miliard tun uhlíku, což je asi desetinásobek množství v atmosféře, přesto má obrovský nevyužitý potenciál vázat atmosférický uhlík. Plodiny by mohly zachytit 1.85 až 1 petagramů (10 Pg = XNUMX15 gramů) uhlíku (Pg C) ročně, což je asi 26–53 % cíle „4 na 1000 iniciativ“ (to znamená 0.4% roční tempo růstu stojící globální půdy organický carbon stocks can offset the current increase in carbon emission in the atmosphere and contribute to meet the podnebí target). However, the interplay of factors influencing trapping of plant-based organický hmota v půdě není příliš dobře pochopena.
Co ovlivňuje uzamykání uhlíku v půdě
Nová studie vrhá světlo na to, co určuje, zda je rostlinný organický hmota bude zachycena, když vstoupí do půdy, nebo zda skončí krmením mikroby a vrátí uhlík do atmosféry ve formě CO2. Po zkoumání interakcí mezi biomolekulami a jílovými minerály vědci zjistili, že náboj na biomolekulách a jílových minerálech, struktura biomolekul, přírodní kovové složky v půdě a párování mezi biomolekulami hrají klíčovou roli při sekvestraci uhlíku v půdě.
Zkoumání interakcí mezi jílovými minerály a jednotlivými biomolekulami ukázalo, že vazba byla předvídatelná. Protože jílové minerály jsou záporně nabité, biomolekuly s kladně nabitými složkami (lysin, histidin a threonin) zaznamenaly silnou vazbu. Vazba je také ovlivněna tím, zda je biomolekula dostatečně flexibilní, aby vyrovnala své kladně nabité složky se záporně nabitými jílovými minerály.
Kromě elektrostatického náboje a strukturních vlastností biomolekul bylo zjištěno, že přírodní kovové složky v půdě hrají důležitou roli při vázání prostřednictvím tvorby mostů. Například kladně nabitý hořčík a vápník vytvořily most mezi záporně nabitými biomolekulami a jílovými minerály, aby vytvořily vazbu, což naznačuje, že přírodní kovové složky v půdě mohou usnadnit zachycování uhlíku v půdě.
Na druhé straně elektrostatická přitažlivost mezi samotnými biomolekulami ovlivňovala vazbu nepříznivě. Ve skutečnosti bylo zjištěno, že energie přitažlivosti mezi biomolekulami je vyšší než energie přitažlivosti biomolekuly k jílovému minerálu. To znamenalo sníženou adsorpci biomolekul do jílu. Zatímco přítomnost kladně nabitých kovových iontů v půdách podporovala zachycování uhlíku, elektrostatické párování mezi biomolekulami inhibovalo adsorpci biomolekul na jílové minerály.
Tyto nové poznatky o tom, jak organický 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 změna klimatu.
***
Reference:
- Zomer, RJ, Bossio, DA, Sommer, R. a kol. Globální potenciál sekvestrace zvýšeného organického uhlíku v půdách obilí. Sci Rep 7, 15554 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-15794-8
- Rumpel, C., Amiraslani, F., Chenu, C. et al. Iniciativa 4p1000: Příležitosti, omezení a výzvy pro implementaci sekvestrace organického uhlíku v půdě jako strategie udržitelného rozvoje. Ambio 49, 350–360 (2020). https://doi.org/10.1007/s13280-019-01165-2
- Wang J., Wilson RS a Aristilde L., 2024. Elektrostatická vazba a vodní přemostění v hierarchii adsorpce biomolekul na rozhraních voda-jíl. PNAS. 8. února 2024.121 (7) e2316569121. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2316569121
***
