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 Klimawechsel.
Der Kohlenstoffkreislauf beinhaltet die Bewegung von Kohlenstoff aus der Atmosphäre in Pflanzen und Tiere auf der Erde und zurück in die Atmosphäre. Ozeane, Atmosphäre und lebende Organismen sind die Hauptreservoirs oder Senken, durch die der Kohlenstoffkreislauf verläuft. Viel von Kohlenstoff 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 Klimawechsel.
Es werden Anstrengungen unternommen, um die globale Erwärmung bis 1.5 auf 2050 °C im Vergleich zum vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Um die globale Erwärmung auf 1.5 °C zu begrenzen, müssen die Treibhausgasemissionen vor 2025 ihren Höhepunkt erreichen und bis 2030 halbiert werden ergab, dass die Welt nicht auf dem Weg ist, den Temperaturanstieg bis zum Ende dieses Jahrhunderts auf 1.5 °C zu begrenzen. Der Übergang geht nicht schnell genug, um bis 43 eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen um 2030 % zu erreichen, was die globale Erwärmung im Rahmen der aktuellen Ambitionen begrenzen könnte.
In diesem Zusammenhang spielt der Boden eine Rolle organischer Kohlenstoff (SOC) in Klimawechsel 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.
Ungeachtet der historischen Belastung durch Kohlenstoff (d. h. der Ausstoß von etwa 1,000 Milliarden Tonnen Kohlenstoff seit Beginn der industriellen Revolution im Jahr 1750) birgt jeder Anstieg der globalen Temperatur das Potenzial, mehr Kohlenstoff aus dem Boden in die Atmosphäre freizusetzen, weshalb es zwingend erforderlich ist, das Vorhandene zu schützen Kohlenstoffvorräte im Boden.
Boden als Senke bio Kohlenstoff
Der Boden ist immer noch die zweitgrößte (nach dem Ozean) Speicherquelle der Erde bio Kohlenstoff. Es enthält etwa 2,500 Milliarden Tonnen Kohlenstoff, was etwa dem Zehnfachen der in der Atmosphäre enthaltenen Menge entspricht, verfügt jedoch über ein enormes ungenutztes Potenzial zur Bindung von atmosphärischem Kohlenstoff. Ackerflächen könnten zwischen 0.90 und 1.85 Petagramm (1 Pg = 10) einfangen15 Gramm) Kohlenstoff (Pg C) pro Jahr, was etwa 26–53 % des Ziels der „4 pro 1000-Initiative” (das heißt, 0.4 % jährliche Wachstumsrate des bestehenden globalen Bodens bio 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 bio Die Materie im Boden ist nicht sehr gut verstanden.
Was beeinflusst die Bindung von Kohlenstoff im Boden?
Eine neue Studie gibt Aufschluss darüber, was ausschlaggebend dafür ist, ob ein pflanzliches Produkt verwendet wird bio Materie wird eingefangen, wenn sie in den Boden gelangt, oder ob sie am Ende Mikroben ernährt und Kohlenstoff in Form von CO in die Atmosphäre zurückgibt2. Nach der Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen und Tonmineralien stellten die Forscher fest, dass die Ladung von Biomolekülen und Tonmineralien, die Struktur von Biomolekülen, natürliche Metallbestandteile im Boden und die Paarung zwischen Biomolekülen eine Schlüsselrolle bei der Bindung von Kohlenstoff im Boden spielen.
Die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Tonmineralien und einzelnen Biomolekülen ergab, dass die Bindung vorhersehbar war. Da Tonmineralien negativ geladen sind, erfuhren Biomoleküle mit positiv geladenen Komponenten (Lysin, Histidin und Threonin) eine starke Bindung. Die Bindung wird auch davon beeinflusst, ob ein Biomolekül flexibel genug ist, um seine positiv geladenen Bestandteile an den negativ geladenen Tonmineralien auszurichten.
Neben der elektrostatischen Aufladung und den Strukturmerkmalen der Biomoleküle spielten auch die natürlichen Metallbestandteile im Boden eine wichtige Rolle bei der Bindung durch Brückenbildung. Beispielsweise bildeten positiv geladenes Magnesium und Kalzium eine Brücke zwischen den negativ geladenen Biomolekülen und Tonmineralien, um eine Bindung zu schaffen, was darauf hindeutet, dass natürliche Metallbestandteile im Boden die Kohlenstoffbindung im Boden erleichtern können.
Andererseits wirkte sich die elektrostatische Anziehung zwischen den Biomolekülen selbst negativ auf die Bindung aus. Tatsächlich wurde festgestellt, dass die Anziehungsenergie zwischen Biomolekülen höher ist als die Anziehungsenergie eines Biomoleküls zum Tonmineral. Dies bedeutete eine verringerte Adsorption von Biomolekülen an den Ton. Während das Vorhandensein positiv geladener Metallionen in den Böden die Kohlenstoffbindung begünstigte, verhinderte die elektrostatische Paarung zwischen Biomolekülen die Adsorption von Biomolekülen an die Tonmineralien.
Diese neuen Erkenntnisse darüber, wie bio 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 Klimawechsel.
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References:
- Zomer, RJ, Bossio, DA, Sommer, R. et al. Globales Sequestrierungspotenzial von erhöhtem organischen Kohlenstoff in Ackerböden. Sci Rep 7, 15554 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-15794-8
- Rumpel, C., Amiraslani, F., Chenu, C. et al. Die 4p1000-Initiative: Chancen, Grenzen und Herausforderungen für die Umsetzung der Speicherung von organischem Kohlenstoff im Boden als nachhaltige Entwicklungsstrategie. Ambio 49, 350–360 (2020). https://doi.org/10.1007/s13280-019-01165-2
- Wang J., Wilson RS und Aristilde L., 2024. Elektrostatische Kopplung und Wasserbrückenbildung in der Adsorptionshierarchie von Biomolekülen an Wasser-Ton-Grenzflächen. PNAS. 8. Februar 2024.121 (7) e2316569121. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2316569121
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