לקראת פתרון מבוסס קרקע לשינויי אקלים 

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 שינוי האקלים.   

מחזור הפחמן כולל תנועה של פחמן מהאטמוספירה לצמחים ובעלי חיים על פני כדור הארץ ובחזרה לאטמוספירה. אוקיינוס, אטמוספירה ואורגניזמים חיים הם מאגרים או שקעים עיקריים שדרכם עובר מחזורי פחמן. הרבה פַּחמָן 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 שינוי האקלים.  

נעשים מאמצים להגביל את ההתחממות הגלובלית ל-1.5 מעלות צלזיוס בהשוואה לרמות הטרום-תעשייתיות עד 2050. כדי להגביל את ההתחממות הגלובלית ל-1.5 מעלות צלזיוס, פליטת גזי החממה חייבת להגיע לשיא לפני 2025 ולהצטמצם בחצי עד 2030. עם זאת, המניות העולמיות האחרונות גילה שהעולם לא בדרך להגביל את עליית הטמפרטורה ל-1.5 מעלות צלזיוס עד סוף המאה הזו. המעבר אינו מהיר מספיק כדי להשיג הפחתה של 43% בפליטת גזי חממה עד 2030 שעלולה להגביל את ההתחממות הגלובלית במסגרת השאיפות הנוכחיות. 

It is in this context that the role of soil פחמן אורגני (SOC) in שינוי האקלים 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.  

למרות העומס ההיסטורי של פחמן (כלומר פליטה של ​​כ-1,000 מיליארד טון פחמן מאז 1750 כשהחלה המהפכה התעשייתית), כל עלייה בטמפרטורה הגלובלית יש בה פוטנציאל לשחרר יותר פחמן מהאדמה באטמוספרה ומכאן ההכרח לשמר את הקיים מלאי פחמן בקרקע.   

Soil as a sink of אורגני פַּחמָן 

Soil is still Earth’s second largest (after ocean) sink of אורגני carbon. It holds about 2,500 billion tons of carbon which is about ten times the amount held in the atmosphere, yet it has huge untapped potential to sequester atmospheric carbon. Croplands could trap between 0.90 and 1.85 petagrams (1 Pg = 10¹⁵ גרם) של פחמן (Pg C) בשנה, שהם כ-26-53% מהיעד של "4 לכל יוזמה של 1000” (that is, 0.4% annual growth rate of the standing global soil אורגני carbon stocks can offset the current increase in carbon emission in the atmosphere and contribute to meet the אקלים target). However, the interplay of factors influencing trapping of plant-based אורגני matter in the soil is not very well understood. 

מה משפיע על נעילת פחמן באדמה  

A new study sheds light on what determines whether a plant-based אורגני matter will be trapped when it enters soil or whether it will end up feeding microbes and return carbon to the atmosphere in the form of CO₂. לאחר בחינה של אינטראקציות בין ביו-מולקולות ומינרלים חרסית, החוקרים מצאו כי מטען על ביו-מולקולות ומינרלים חימר, מבנה של ביו-מולקולות, מרכיבי מתכת טבעיים באדמה וזיווג בין ביו-מולקולות ממלאים תפקידים מרכזיים בקיבולת פחמן באדמה.  

בדיקה של אינטראקציות בין מינרלים חימר וביו-מולקולות בודדות גילתה שהקישור היה צפוי. מכיוון שמינרלים חימר טעונים שלילי, ביומולקולות עם רכיבים טעונים חיובית (ליזין, היסטידין ותרונין) חוו קשירה חזקה. הקישור מושפע גם מהאם ביומולקולה גמישה מספיק כדי ליישר את מרכיביה הטעונים בחיוב עם מינרלי החימר הטעונים שלילי.  

בנוסף למטען האלקטרוסטטי ולמאפיינים המבניים של הביו-מולקולות, נמצא כי מרכיבי המתכת הטבעיים בקרקע ממלאים תפקיד חשוב בקשירה באמצעות היווצרות גשרים. לדוגמה, מגנזיום וסידן בעלי מטען חיובי, יצרו גשר בין הביומולקולות הטעונות שלילי ומינרלים חימר כדי ליצור קשר המצביע על כך שמרכיבי מתכת טבעיים באדמה יכולים להקל על לכידת פחמן באדמה.  

מצד שני, משיכה אלקטרוסטטית בין הביומולקולות עצמן השפיעה לרעה על הקישור. למעשה, אנרגיית המשיכה בין ביו-מולקולות נמצאה גבוהה יותר מאנרגיית המשיכה של ביו-מולקולה למינרל החימר. משמעות הדבר הייתה ירידה בספיחה של ביומולקולות לחימר. לפיכך, בעוד שנוכחות של יוני מתכת טעונים חיובית בקרקעות העדיפה לכידת פחמן, הזיווג האלקטרוסטטי בין ביו-מולקולות עיכב ספיחה של ביו-מולקולות למינרלים החרסיים.  

These new findings about how אורגני 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 שינוי האקלים. 

*** 

הפניות:  

1. Zomer, RJ, Bossio, DA, Sommer, R. et al. פוטנציאל קיבוע גלובלי של פחמן אורגני מוגבר באדמות גידולים. Sci Rep 7, 15554 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-15794-8 

2. Rumpel, C., Amiraslani, F., Chenu, C. et al. יוזמת 4p1000: הזדמנויות, מגבלות ואתגרים ליישום קיבוע פחמן אורגני בקרקע כאסטרטגיית פיתוח בר קיימא. Ambio 49, 350–360 (2020). https://doi.org/10.1007/s13280-019-01165-2  

3. Wang J., Wilson RS, and Aristilde L., 2024. צימוד אלקטרוסטטי וגישור מים בהיררכיית ספיחה של ביו-מולקולות בממשקי מים-חימר. PNAS. 8 בפברואר 2024.121 (7) e2316569121. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2316569121  

***