Een nieuwe studie onderzocht de interacties tussen biomoleculen en kleimineralen in de bodem en wierp licht op de factoren die de vastlegging van plantaardige koolstof in de bodem beïnvloeden. Er werd vastgesteld dat de lading van biomoleculen en kleimineralen, de structuur van biomoleculen, de natuurlijke metaalbestanddelen in de bodem en de binding tussen biomoleculen een belangrijke rol spelen bij de vastlegging van koolstof in de bodem. Terwijl de aanwezigheid van positief geladen metaalionen in de bodem de koolstofvastlegging bevorderde, remde de elektrostatische binding tussen biomoleculen de adsorptie van biomoleculen aan de kleimineralen. De bevindingen kunnen nuttig zijn bij het voorspellen van bodemchemie die het meest effectief is in het vastleggen van koolstof in de bodem, wat op zijn beurt de weg kan vrijmaken voor bodemgebaseerde oplossingen om de koolstofuitstoot in de atmosfeer te verminderen en de opwarming van de aarde en klimaatverandering tegen te gaan.
De koolstofcyclus omvat de beweging van koolstof vanuit de atmosfeer naar planten en dieren op aarde en terug naar de atmosfeer. De oceanen, de atmosfeer en levende organismen zijn de belangrijkste reservoirs of 'putten' waarlangs koolstof circuleert. Veel koolstof wordt opgeslagen in gesteenten, sedimenten en bodems. De dode organismen in gesteenten en sedimenten kunnen in de loop van miljoenen jaren fossiele brandstoffen worden. De verbranding van fossiele brandstoffen om in de energiebehoefte te voorzien, brengt grote hoeveelheden koolstof in de atmosfeer, wat het koolstofevenwicht in de atmosfeer heeft verstoord en heeft bijgedragen aan de opwarming van de aarde en de daaruit voortvloeiende 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.
In deze context wint de rol van organische koolstof in de bodem (SOC) bij klimaatverandering aan belang, zowel als potentiële bron van koolstofemissies als reactie op de opwarming van de aarde, als natuurlijke opslagplaats voor atmosferische koolstof.
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 opslagplaats voor organische koolstof
De bodem is na de oceanen nog steeds de grootste opslagplaats van organische koolstof op aarde. Hij bevat ongeveer 2,500 miljard ton koolstof, wat ongeveer tien keer zoveel is als de hoeveelheid in de atmosfeer. Toch heeft de bodem een enorm onbenut potentieel om atmosferische koolstof vast te leggen. Landbouwgrond zou tussen de 0.90 en 1.85 petagram (1 Pg = 10¹⁵ gram) koolstof (Pg C) per jaar kunnen vastleggen , wat ongeveer 26-53% is van de doelstelling van het " 4 per 1000 Initiative " (dat wil zeggen dat een jaarlijkse groei van 0.4% van de wereldwijde voorraad organische koolstof in de bodem de huidige toename van koolstofemissies in de atmosfeer kan compenseren en kan bijdragen aan het behalen van de klimaatdoelstelling ). De wisselwerking tussen de factoren die van invloed zijn op de vastlegging van plantaardig organisch materiaal in de bodem is echter nog niet goed begrepen.
Wat beïnvloedt de vastlegging van koolstof in de bodem?
Een nieuwe studie werpt licht op de factoren die bepalen of organisch plantaardig materiaal in de bodem wordt opgenomen of dat het microben voedt en koolstof in de vorm van CO₂ weer aan de atmosfeer afgeeft . Na onderzoek naar de interacties tussen biomoleculen en kleimineralen ontdekten de onderzoekers dat de lading van biomoleculen en kleimineralen, de structuur van biomoleculen, de natuurlijke metaalbestanddelen in de bodem en de koppeling tussen biomoleculen een cruciale rol spelen bij de vastlegging 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 organische koolstofbiomoleculen zich binden aan de kleimineralen in de bodem, zouden kunnen helpen de bodemchemie zodanig aan te passen dat koolstof wordt vastgelegd, en zo de weg vrijmaken voor op de bodem gebaseerde oplossingen voor 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
***
