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 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 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 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 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.
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 carbon stocks can offset the current increase in carbon emission in the atmosphere and contribute to meet the klimaat target). However, the interplay of factors influencing trapping of plant-based 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 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 klimaatverandering.
***
Referenties:
- 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
- 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
- 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
***
