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 klimatförändringar.
Kolets kretslopp innebär förflyttning av kol från atmosfären till växter och djur på jorden och tillbaka till atmosfären. Hav, atmosfär och levande organismer är huvudreservoarer eller sänkor genom vilka kol kretsar. Massor av kol 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 klimatförändringar.
Ansträngningar görs för att begränsa den globala uppvärmningen till 1.5°C jämfört med förindustriella nivåer till 2050. För att begränsa den globala uppvärmningen till 1.5°C måste utsläppen av växthusgaser nå en topp före 2025 och halveras till 2030. Den senaste globala inventeringen har dock avslöjade att världen inte är på väg att begränsa temperaturökningen till 1.5°C i slutet av detta århundrade. Övergången är inte tillräckligt snabb för att uppnå 43 % minskning av utsläppen av växthusgaser till 2030, vilket skulle kunna begränsa den globala uppvärmningen inom de nuvarande ambitionerna.
Det är i detta sammanhang som markens roll organiskt kol (SOC) in klimatförändringar 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.
Trots den historiska belastningen av kol (dvs. utsläpp av cirka 1,000 1750 miljarder ton kol sedan XNUMX när den industriella revolutionen började) har varje ökning av den globala temperaturen potentialen att frigöra mer kol från marken i atmosfären, därför är det nödvändigt att bevara det befintliga markens kollager.
Jord som en diskbänk av ekologisk kol
Jord är fortfarande jordens näst största (efter havet) sjunka av ekologisk kol. Den rymmer cirka 2,500 0.90 miljarder ton kol, vilket är ungefär tio gånger den mängd som finns i atmosfären, men den har en enorm outnyttjad potential att binda atmosfäriskt kol. Åkermarker kan fånga mellan 1.85 och 1 petagram (10 Pg = XNUMX15 gram) kol (Pg C) per år, vilket är cirka 26–53 % av målet för4 per 1000-initiativ” (det vill säga 0.4 % årlig tillväxttakt av den stående globala jorden ekologisk carbon stocks can offset the current increase in carbon emission in the atmosphere and contribute to meet the klimat target). However, the interplay of factors influencing trapping of plant-based ekologisk materia i jorden är inte särskilt väl förstådd.
Vad påverkar låsning av kol i jorden
En ny studie belyser vad som avgör om en växtbaserad ekologisk materia kommer att fångas när det kommer in i marken eller om det kommer att sluta mata mikrober och återföra kol till atmosfären i form av CO2. Efter undersökning av interaktioner mellan biomolekyler och lermineraler fann forskarna att laddning på biomolekyler och lermineraler, strukturen hos biomolekyler, naturliga metallbeståndsdelar i marken och parning mellan biomolekyler spelar nyckelroller i bindningen av kol i marken.
Undersökning av interaktioner mellan lermineraler och enskilda biomolekyler visade att bindningen var förutsägbar. Eftersom lermineraler är negativt laddade upplevde biomolekyler med positivt laddade komponenter (lysin, histidin och treonin) stark bindning. Bindningen påverkas också av om en biomolekyl är tillräckligt flexibel för att anpassa sina positivt laddade komponenter med de negativt laddade lermineralerna.
Förutom elektrostatisk laddning och de strukturella egenskaperna hos biomolekylerna visade sig de naturliga metallbeståndsdelarna i jorden spela en viktig roll för bindning genom brobildning. Till exempel bildade positivt laddat magnesium och kalcium en bro mellan de negativt laddade biomolekylerna och lermineralerna för att skapa en bindning som tyder på att naturliga metallbeståndsdelar i jorden kan underlätta kolfångning i jorden.
Å andra sidan påverkade elektrostatisk attraktion mellan biomolekylerna själva bindningen negativt. Faktum är att attraktionsenergin mellan biomolekyler visade sig vara högre än attraktionsenergin för en biomolekyl till lermineralet. Detta innebar minskad adsorption av biomolekyler till leran. Sålunda, medan närvaron av positivt laddade metalljoner i marken gynnade kolinfångning, hämmade den elektrostatiska parningen mellan biomolekyler adsorptionen av biomolekyler till lermineralerna.
Dessa nya rön om hur ekologisk 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 klimatförändringar.
***
Referenser:
- Zomer, RJ, Bossio, DA, Sommer, R. et al. Global lagringspotential av ökat organiskt kol i odlingsmark. Sci Rep 7, 15554 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-15794-8
- Rumpel, C., Amiraslani, F., Chenu, C. et al. 4p1000-initiativet: Möjligheter, begränsningar och utmaningar för att implementera organisk kolbindning i marken som en hållbar utvecklingsstrategi. Ambio 49, 350–360 (2020). https://doi.org/10.1007/s13280-019-01165-2
- Wang J., Wilson RS och Aristilde L., 2024. Elektrostatisk koppling och vattenbryggning i adsorptionshierarki av biomolekyler vid gränssnitt mellan vatten och lera. PNAS. 8 februari 2024.121 (7) e2316569121. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2316569121
***
