Op weg naar een bodemgebaseerde oplossing voor klimaatverandering 

Een nieuwe studie onderzocht de interacties tussen biomoleculen en kleimineralen in de bodem en werpt licht op factoren die van invloed zijn op het vasthouden van plantaardige koolstof in de bodem. Er werd ontdekt dat de lading van biomoleculen en kleimineralen, de structuur van biomoleculen, natuurlijke metaalbestanddelen in de bodem en de koppeling tussen biomoleculen een sleutelrol spelen bij de opslag van koolstof in de bodem. Terwijl de aanwezigheid van positief geladen metaalionen in de bodem de koolstofvangst bevorderde, remde de elektrostatische koppeling tussen biomoleculen de adsorptie van biomoleculen aan de kleimineralen. De bevindingen kunnen nuttig zijn bij het voorspellen van de bodemchemie die het meest effectief is bij het vasthouden van koolstof in de bodem, wat op zijn beurt de weg zou kunnen vrijmaken voor op de bodem gebaseerde oplossingen voor het verminderen van koolstof in de atmosfeer en voor het broeikaseffect en de klimaatverandering. klimaatverandering.   

De koolstofcyclus omvat de verplaatsing van koolstof uit de atmosfeer naar planten en dieren op aarde en terug naar de atmosfeer. De oceaan, de atmosfeer en levende organismen zijn de belangrijkste reservoirs of putten waar koolstof doorheen circuleert. Veel van carbon wordt opgeslagen/vastgelegd in rotsen, sedimenten en bodems. De dode organismen in rotsen en sedimenten kunnen in de loop van miljoenen jaren fossiele brandstoffen worden. Bij het verbranden van fossiele brandstoffen om aan de energiebehoeften te voldoen, komt een grote hoeveelheid koolstof vrij in de atmosfeer, waardoor de koolstofbalans in de atmosfeer is doen kantelen en is bijgedragen aan de opwarming van de aarde en de daaruit voortvloeiende gevolgen. klimaatverandering.  

Er worden inspanningen geleverd om de opwarming van de aarde tegen 1.5 te beperken tot 2050°C vergeleken met het pre-industriële niveau. Om de opwarming van de aarde tot 1.5°C te beperken, moet de uitstoot van broeikasgassen vóór 2025 een piek bereiken en tegen 2030 gehalveerd zijn. bleek dat de wereld niet op koers ligt om de temperatuurstijging tegen het einde van deze eeuw te beperken tot 1.5°C. De transitie gaat niet snel genoeg om in 43 een reductie van de uitstoot van broeikasgassen met 2030% te realiseren, wat de opwarming van de aarde binnen de huidige ambities zou kunnen beperken. 

Het is in deze context dat de rol van de bodem organische koolstof (SOC) in klimaatverandering wordt steeds belangrijker als potentiële bron van koolstofemissie als reactie op de opwarming van de aarde, en als natuurlijke opslagplaats van koolstof in de atmosfeer.  

Ondanks de historische belasting van koolstof (dat wil zeggen de uitstoot van ongeveer 1,000 miljard ton koolstof sinds 1750, toen de industriële revolutie begon), heeft elke stijging van de mondiale temperatuur het potentieel om meer koolstof uit de bodem in de atmosfeer vrij te maken. Vandaar de noodzaak om de bestaande koolstofvoorraden in stand te houden. koolstofvoorraden in de bodem.   

Bodem als gootsteen organisch carbon 

De bodem is nog steeds de op een na grootste put op aarde (na de oceaan). organisch koolstof. Het bevat ongeveer 2,500 miljard ton koolstof, wat ongeveer tien keer zoveel is als de hoeveelheid die in de atmosfeer zit, maar toch heeft het een enorm onaangeboord potentieel om koolstof uit de atmosfeer op te slaan. Akkerlanden zouden tussen 0.90 en 1.85 petagrammen kunnen vangen (1 Pg = 10¹⁵ gram) koolstof (Pg C) per jaar, wat ongeveer 26-53% is van de doelstelling van de “4 per 1000-initiatief”(dat wil zeggen een jaarlijkse groei van 0.4% van de staande mondiale bodem organisch Koolstofvoorraden kunnen de huidige toename van de koolstofuitstoot in de atmosfeer compenseren en bijdragen aan het voldoen aan de uitstoot van broeikasgassen klimaat doel). Het samenspel van factoren die van invloed zijn op het vangen van plantaardige grondstoffen organisch materie in de bodem is nog niet zo goed begrepen. 

Wat beïnvloedt de vastlegging van koolstof in de bodem?  

Een nieuwe studie werpt licht op wat bepaalt of een plant gebaseerd is organisch materie zal worden opgesloten wanneer het de bodem binnendringt of dat het uiteindelijk microben zal voeden en koolstof in de vorm van CO in de atmosfeer zal terugbrengen₂. Na onderzoek van de interacties tussen biomoleculen en kleimineralen ontdekten de onderzoekers dat de lading op biomoleculen en kleimineralen, de structuur van biomoleculen, natuurlijke metaalbestanddelen in de bodem en de koppeling tussen biomoleculen een sleutelrol spelen bij de opslag van koolstof in de bodem.  

Onderzoek naar interacties tussen kleimineralen en individuele biomoleculen onthulde dat de binding voorspelbaar was. Omdat kleimineralen negatief geladen zijn, ondervonden biomoleculen met positief geladen componenten (lysine, histidine en threonine) een sterke binding. De binding wordt ook beïnvloed door de vraag of een biomolecuul flexibel genoeg is om zijn positief geladen componenten op één lijn te brengen met de negatief geladen kleimineralen.  

Naast de elektrostatische lading en de structurele kenmerken van de biomoleculen, bleken de natuurlijke metaalbestanddelen in de bodem een ​​belangrijke rol te spelen bij de binding via brugvorming. Positief geladen magnesium en calcium vormden bijvoorbeeld een brug tussen de negatief geladen biomoleculen en kleimineralen om een ​​band te creëren die suggereert dat natuurlijke metaalbestanddelen in de bodem het vasthouden van koolstof in de bodem kunnen vergemakkelijken.  

Aan de andere kant had de elektrostatische aantrekking tussen biomoleculen zelf een negatieve invloed op de binding. In feite bleek de aantrekkingsenergie tussen biomoleculen hoger te zijn dan de aantrekkingsenergie van een biomolecuul tot het kleimineraal. Dit betekende een verminderde adsorptie van biomoleculen aan de klei. Terwijl de aanwezigheid van positief geladen metaalionen in de bodem de koolstofvangst bevorderde, remde de elektrostatische koppeling tussen biomoleculen de adsorptie van biomoleculen aan de kleimineralen.  

Deze nieuwe bevindingen over hoe organisch koolstofbiomoleculen die zich binden aan de kleimineralen in de bodem kunnen helpen de bodemchemie op passende wijze te wijzigen om koolstofopname te bevorderen, en zo de weg vrij te maken voor bodemgebaseerde oplossingen voor klimaatverandering. 

*** 

Referenties:  

1. Zomer, RJ, Bossio, DA, Sommer, R. et al. Mondiaal opslagpotentieel van verhoogde organische koolstof in akkerlandbodems. Sci Rep 7, 15554 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-15794-8 

2. Rumpel, C., Amiraslani, F., Chenu, C. et al. Het 4p1000-initiatief: kansen, beperkingen en uitdagingen voor de implementatie van organische koolstofopslag in de bodem als een strategie voor duurzame ontwikkeling. Ambio 49, 350–360 (2020). https://doi.org/10.1007/s13280-019-01165-2  

3. Wang J., Wilson RS, en Aristilde L., 2024. Elektrostatische koppeling en waterbruggen in de adsorptiehiërarchie van biomoleculen op water-klei-grensvlakken. PNAS. 8 februari 2024.121 (7) e2316569121. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2316569121  

***