Nova studija ispitala je interakcije između biomolekula i minerala gline u tlu i rasvijetlila čimbenike koji utječu na zadržavanje biljnog ugljika u tlu. Utvrđeno je da naboj biomolekula i minerala gline, struktura biomolekula, prirodni metalni sastojci u tlu i sparivanje između biomolekula igraju ključnu ulogu u vezivanju ugljika u tlu. Dok je prisutnost pozitivno nabijenih metalnih iona u tlu pogodovala hvatanju ugljika, elektrostatsko uparivanje između biomolekula inhibiralo je adsorpciju biomolekula na minerale gline. Nalazi bi mogli biti od pomoći u predviđanju kemije tla koja je najučinkovitija u hvatanju ugljika u tlu, što bi zauzvrat moglo utrti put rješenjima koja se temelje na tlu za smanjenje ugljika u atmosferi i za globalno zagrijavanje i klimatske promjene.
Ciklus ugljika uključuje kretanje ugljika iz atmosfere u biljke i životinje na Zemlji i natrag u atmosferu. Ocean, atmosfera i živi organizmi glavni su rezervoari ili ponori kroz koje kruži ugljik. Puno ugljen se pohranjuje/sekvestrira u stijenama, sedimentima i tlima. Mrtvi organizmi u stijenama i sedimentima mogu postati fosilna goriva tijekom milijuna godina. Spaljivanjem fosilnih goriva radi zadovoljenja energetskih potreba oslobađa se velika količina ugljika u atmosferu što je narušilo atmosfersku ravnotežu ugljika i pridonijelo globalnom zatopljenju i posljedičnom klimatske promjene.
Ulažu se napori da se globalno zatopljenje ograniči na 1.5°C u usporedbi s predindustrijskim razinama do 2050. Da bi se globalno zatopljenje ograničilo na 1.5°C, emisije stakleničkih plinova moraju doseći vrhunac prije 2025. i prepoloviti se do 2030. Međutim, nedavna globalna analiza otkrio je da svijet nije na putu da ograniči porast temperature na 1.5°C do kraja ovog stoljeća. Tranzicija nije dovoljno brza da bi se postiglo smanjenje emisije stakleničkih plinova od 43% do 2030. što bi moglo ograničiti globalno zatopljenje unutar trenutnih ambicija.
U tom je kontekstu uloga tla organski ugljik (SOC) u klimatske promjene dobiva na važnosti kao potencijalni izvor emisije ugljika kao odgovor na globalno zagrijavanje, kao i kao prirodni ponor atmosferskog ugljika.
Bez obzira na povijesno naslijeđeno opterećenje ugljikom (tj. emisija od oko 1,000 milijardi tona ugljika od 1750. godine kada je započela industrijska revolucija), svako povećanje globalne temperature ima potencijal otpustiti više ugljika iz tla u atmosferu, stoga je imperativ očuvanja postojećeg zalihe ugljika u tlu.
Tlo kao umivaonik organski ugljen
Tlo je još uvijek drugi najveći ponor na Zemlji (nakon oceana). organski ugljik. Sadrži oko 2,500 milijardi tona ugljika, što je oko deset puta više od količine koja se nalazi u atmosferi, no ipak ima ogroman neiskorišteni potencijal izdvajanja atmosferskog ugljika. Usjevi bi mogli zarobiti između 0.90 i 1.85 petagrama (1 Pg = 1015 grama) ugljika (Pg C) godišnje, što je oko 26–53% cilja "4 na 1000 inicijativa” (to jest, 0.4% godišnje stope rasta stojećeg globalnog tla organski zalihe ugljika mogu nadoknaditi trenutno povećanje emisije ugljika u atmosferu i pridonijeti ispunjavanju klima cilj). Međutim, međudjelovanje čimbenika koji utječu na hvatanje u zamke biljnog porijekla organski tvar u tlu nije dobro shvaćena.
Što utječe na zadržavanje ugljika u tlu
Nova studija baca svjetlo na ono što određuje jesu li na biljnoj bazi organski tvar će biti zarobljena kada uđe u tlo ili će na kraju hraniti mikrobe i vratiti ugljik u atmosferu u obliku CO2. Nakon ispitivanja interakcija između biomolekula i minerala gline, istraživači su otkrili da naboj na biomolekulama i mineralima gline, struktura biomolekula, prirodni metalni sastojci u tlu i sparivanje između biomolekula igraju ključnu ulogu u vezivanju ugljika u tlu.
Ispitivanje interakcija između minerala gline i pojedinačnih biomolekula pokazalo je da je vezivanje bilo predvidljivo. Budući da su minerali gline negativno nabijeni, biomolekule s pozitivno nabijenim komponentama (lizin, histidin i treonin) doživjele su snažno vezanje. Na vezanje također utječe je li biomolekula dovoljno fleksibilna da uskladi svoje pozitivno nabijene komponente s negativno nabijenim mineralima gline.
Osim elektrostatskog naboja i strukturnih značajki biomolekula, utvrđeno je da prirodni metalni sastojci u tlu igraju važnu ulogu u vezivanju stvaranjem mostova. Na primjer, pozitivno nabijeni magnezij i kalcij formirali su most između negativno nabijenih biomolekula i minerala gline kako bi stvorili vezu koja sugerira da prirodni metalni sastojci u tlu mogu olakšati hvatanje ugljika u tlu.
S druge strane, elektrostatsko privlačenje između samih biomolekula nepovoljno je utjecalo na vezanje. U stvari, utvrđeno je da je energija privlačenja između biomolekula veća od energije privlačenja biomolekule prema mineralu gline. To je značilo smanjenu adsorpciju biomolekula na glinu. Dakle, dok je prisutnost pozitivno nabijenih metalnih iona u tlu pogodovala hvatanju ugljika, elektrostatsko uparivanje između biomolekula inhibiralo je adsorpciju biomolekula na minerale gline.
Ova nova saznanja o tome kako organski biomolekule ugljika koje se vežu na minerale gline u tlu mogle bi pomoći u modifikaciji kemijskih sastava tla na odgovarajući način kako bi se pogodovalo hvatanju ugljika, čime bi se otvorio put rješenjima temeljenim na tlu za klimatske promjene.
***
Reference:
- Zomer, RJ, Bossio, DA, Sommer, R. i sur. Globalni potencijal sekvestracije povećanog organskog ugljika u tlima usjeva. Sci Rep 7, 15554 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-15794-8
- Rumpel, C., Amiraslani, F., Chenu, C. i sur. Inicijativa 4p1000: mogućnosti, ograničenja i izazovi za provedbu sekvestracije organskog ugljika u tlu kao strategije održivog razvoja. Ambio 49, 350–360 (2020). https://doi.org/10.1007/s13280-019-01165-2
- Wang J., Wilson RS i Aristilde L., 2024. Elektrostatsko spajanje i vodeni mostovi u adsorpcijskoj hijerarhiji biomolekula na sučeljima voda-glina. PNAS. 8. veljače 2024.121 (7) e2316569121. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2316569121
***
