En ny undersøgelse undersøgte interaktioner mellem biomolekyler og lermineraler i jorden og kastede lys over faktorer, der påvirker fangst af plantebaseret kulstof i jorden. Det blev fundet, at ladning på biomolekyler og lermineraler, struktur af biomolekyler, naturlige metalbestanddele i jorden og parring mellem biomolekyler spiller nøgleroller i binding af kulstof i jorden. Mens tilstedeværelsen af positivt ladede metalioner i jorden favoriserede kulstoffangst, hæmmede den elektrostatiske parring mellem biomolekyler adsorption af biomolekyler til lermineralerne. Resultaterne kan være nyttige til at forudsige jordens kemi, der er mest effektiv til at fange kulstof i jorden, hvilket igen kan bane vejen for jordbaserede løsninger til at reducere kulstof i atmosfæren og for global opvarmning og klima forandring.
Kulstofkredsløbet involverer bevægelse af kulstof fra atmosfæren til planter og dyr på Jorden og tilbage til atmosfæren. Havet, atmosfæren og levende organismer er hovedreservoirer eller dræn, hvorigennem kulstof kredser. Meget af kulstof er lagret/sekvestreret i sten, sedimenter og jord. De døde organismer i klipper og sedimenter kan blive til fossile brændstoffer over millioner af år. Afbrænding af de fossile brændstoffer for at imødekomme energibehovet frigiver store mængder kulstof i atmosfæren, som har vendt den atmosfæriske kulstofbalance og bidraget til global opvarmning og deraf følgende klima forandring.
Der gøres en indsats for at begrænse den globale opvarmning til 1.5°C sammenlignet med det førindustrielle niveau i 2050. For at begrænse den globale opvarmning til 1.5°C skal drivhusgasemissionerne toppe inden 2025 og halveres i 2030. Den seneste globale opgørelse har dog afsløret, at verden ikke er på vej til at begrænse temperaturstigningen til 1.5°C ved udgangen af dette århundrede. Omstillingen er ikke hurtig nok til at opnå en reduktion på 43 % i drivhusgasemissionen i 2030, hvilket kan begrænse den globale opvarmning inden for de nuværende ambitioner.
Det er i denne sammenhæng, at jordens rolle organisk kulstof (SOC) i klima forandring får betydning både som en potentiel kilde til kulstofemission som reaktion på global opvarmning såvel som en naturlig dræn af atmosfærisk kulstof.
På trods af den historiske arv af kulstof (dvs. udledning af omkring 1,000 milliarder tons kulstof siden 1750, da den industrielle revolution begyndte), har enhver stigning i den globale temperatur potentialet til at frigive mere kulstof fra jorden i atmosfæren, og derfor er det nødvendigt at bevare den eksisterende kulstoflagre i jorden.
Jord som en vask af organisk kulstof
Jord er stadig Jordens næststørste (efter havet) synk af organisk kulstof. Den rummer omkring 2,500 milliarder tons kulstof, hvilket er omkring ti gange den mængde, der opbevares i atmosfæren, men den har et enormt uudnyttet potentiale til at binde atmosfærisk kulstof. Afgrødemarker kunne fange mellem 0.90 og 1.85 petagram (1 Pg = 1015 gram) kulstof (Pg C) om året, hvilket er omkring 26-53 % af målet for "4 pr. 1000-initiativ” (det vil sige 0.4 % årlig vækstrate af den stående globale jord organisk kulstoflagre kan opveje den nuværende stigning i kulstofemissionen i atmosfæren og bidrage til at opfylde klima mål). Men samspillet mellem faktorer, der påvirker fangst af plantebaseret organisk stof i jorden er ikke særlig godt forstået.
Hvad påvirker låsning af kulstof i jorden
En ny undersøgelse belyser, hvad der afgør, om en plantebaseret organisk stof vil blive fanget, når det kommer ned i jorden, eller om det ender med at fodre mikrober og returnere kulstof til atmosfæren i form af CO2. Efter undersøgelse af interaktioner mellem biomolekyler og lermineraler fandt forskerne, at ladning på biomolekyler og lermineraler, struktur af biomolekyler, naturlige metalbestanddele i jorden og parring mellem biomolekyler spiller nøgleroller i binding af kulstof i jorden.
Undersøgelse af interaktioner mellem lermineraler og individuelle biomolekyler viste, at bindingen var forudsigelig. Da lermineraler er negativt ladede, oplevede biomolekyler med positivt ladede komponenter (lysin, histidin og threonin) stærk binding. Bindingen er også påvirket af, om et biomolekyle er fleksibelt nok til at justere dets positivt ladede komponenter med de negativt ladede lermineraler.
Ud over elektrostatisk ladning og biomolekylernes strukturelle træk viste det sig, at de naturlige metalbestanddele i jorden spillede en vigtig rolle i bindingen gennem brodannelse. For eksempel dannede positivt ladet magnesium og calcium en bro mellem de negativt ladede biomolekyler og lermineraler for at skabe en binding, der tyder på, at naturlige metalbestanddele i jorden kan lette kulstoffangst i jorden.
På den anden side påvirkede elektrostatisk tiltrækning mellem biomolekyler selv bindingen negativt. Faktisk blev tiltrækningsenergien mellem biomolekyler fundet at være højere end tiltrækningsenergien af et biomolekyle til lermineralet. Dette betød nedsat adsorption af biomolekyler til leret. Mens tilstedeværelsen af positivt ladede metalioner i jorden således favoriserede kulstoffangst, hæmmede den elektrostatiske parring mellem biomolekyler adsorption af biomolekyler til lermineralerne.
Disse nye resultater om hvordan organisk kulstofbiomolekyler binder sig til lermineralerne i jorden kan hjælpe med at modificere jordens kemi passende for at fremme kulstoffangst og dermed bane vej for jordbaserede løsninger til klima forandring.
***
Referencer:
- Zomer, RJ, Bossio, DA, Sommer, R. et al. Globalt bindingspotentiale af øget organisk kulstof i afgrødejord. Sci Rep 7, 15554 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-15794-8
- Rumpel, C., Amiraslani, F., Chenu, C. et al. 4p1000-initiativet: Muligheder, begrænsninger og udfordringer for at implementere organisk kulstofbinding i jorden som en bæredygtig udviklingsstrategi. Ambio 49, 350-360 (2020). https://doi.org/10.1007/s13280-019-01165-2
- Wang J., Wilson RS og Aristilde L., 2024. Elektrostatisk kobling og vandbrodannelse i adsorptionshierarki af biomolekyler ved grænseflader mellem vand og ler. PNAS. 8. februar 2024.121 (7) e2316569121. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2316569121
***
