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 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 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 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.
It is in this context that the role of soil organski ugljik (SOC) in klimatske promjene 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 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.
Soil as a sink of organski ugljen
Soil is still Earth’s second largest (after ocean) sink of organski carbon. It holds about 2,500 billion tons of carbon which is about ten times the amount held in the atmosphere, yet it has huge untapped potential to sequester atmospheric carbon. Croplands could trap between 0.90 and 1.85 petagrams (1 Pg = 1015 grama) ugljika (Pg C) godišnje, što je oko 26–53% cilja "4 na 1000 inicijativa” (that is, 0.4% annual growth rate of the standing global soil organski carbon stocks can offset the current increase in carbon emission in the atmosphere and contribute to meet the klima target). However, the interplay of factors influencing trapping of plant-based organski matter in the soil is not very well understood.
Što utječe na zadržavanje ugljika u tlu
A new study sheds light on what determines whether a plant-based organski matter will be trapped when it enters soil or whether it will end up feeding microbes and return carbon to the atmosphere in the form of 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.
These new findings about how organski 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 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
***
