Новые данные объясняют, как почва удерживает углерод растительного происхождения

Когда молекулы углерода из растений попадают в почву, они сталкиваются с развилкой. Либо углерод задерживается в почве на дни или даже годы, эффективно изолируясь от немедленного попадания в атмосферу, либо он становится пищей для микробов, которые затем выделяют углекислый газ (CO₂) в окружающую среду.

Исследователи из Северо-Западного университета определили факторы, которые могут склонить органическое вещество растительного происхождения в ту или иную сторону.

Комбинируя лабораторные эксперименты и молекулярное моделирование, ученые изучили взаимодействия между органическими углеродными биомолекулами и типом глинистых минералов, известных своей способностью удерживать органику в почве. Они обнаружили, что электростатические заряды, структурные особенности молекул углерода, присутствие металлов-питательных веществ в почве и конкуренция между молекулами играют ключевую роль в способности (или неспособности) почвы удерживать углерод.

Эти результаты могут помочь предсказать, какие почвенные химические условия наиболее благоприятны для улавливания углерода, что потенциально приведет к почвенным решениям для замедления антропогенного изменения климата.

Статья "Electrostatic coupling and water bridging in adsorption hierarchy of biomolecules at water–clay interfaces" будет опубликована 9 февраля в Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Количество органического углерода, хранящегося в почве, примерно в 10 раз превышает количество углерода в атмосфере", — сказала Людмила Аристильд, старший автор исследования. "Если этот огромный резервуар будет нарушен, это будет иметь серьезные последствия. Существует много усилий, чтобы удерживать углерод и не дать ему попасть в атмосферу. Если мы хотим этого, то сначала должны понять механизмы, которые здесь работают".

Распространенная глина

Почва, содержащая 2500 миллиардов тонн связанного углерода, является одним из крупнейших поглотителей углерода на Земле — уступая только океану. Чтобы исследовать этот процесс, команда обратилась к смектитовой глине — типу глинистого минерала, известного своей способностью удерживать углерод в естественных почвах. Затем они изучили, как поверхность глинистого минерала связывается с десятью различными биомолекулами (включая аминокислоты, сахара, родственные целлюлозе, и фенольные кислоты, родственные лигнину), имеющими разную химию и структуру.

"Мы решили изучить этот глинистый минерал, потому что он есть повсюду", — сказала Аристильд. "Почти все почвы содержат глинистые минералы. Кроме того, глины распространены в полузасушливых и умеренных климатических зонах — регионах, которые, как мы знаем, будут затронуты изменением климата".

Противоположности притягиваются

Исследователи сначала изучили взаимодействия между глинистыми минералами и отдельными биомолекулами. Поскольку глинистые минералы заряжены отрицательно, биомолекулы с положительно заряженными компонентами (лизин, гистидин и треонин) демонстрировали наиболее сильное связывание. Но, что интересно, это связывание определялось не только электростатическими зарядами. Используя 3D-компьютерное моделирование, исследователи обнаружили, что важную роль играет и структура биомолекул.

"Бывают случаи, когда две молекулы имеют положительный заряд, но одна взаимодействует с глиной лучше, чем другая", — сказала Аристильд. "Это потому, что структурные особенности связывания также важны. Молекула должна быть достаточно гибкой, чтобы принять структурную конфигурацию, которая позволит ей позиционировать себя таким образом, чтобы совместить свои положительно заряженные компоненты с глиной. Лизин, например, имеет длинный "хвост" с положительным зарядом, который он может использовать, чтобы закрепиться".

Небольшая помощь со стороны

Следуя этой логике, можно было бы предположить, что отрицательно заряженные биомолекулы не способны связываться с глиной. Но команда обнаружила, что окружающие природные металлы-питательные вещества могут выступать посредниками. Положительно заряженные металлы, такие как магний и кальций, образовывали "мостик" между отрицательно заряженными биомолекулами и глинистыми минералами, создавая связь.

"Даже с биомолекулой, которая в норме не связывается с глиной, мы наблюдали значительное увеличение связывания, когда присутствовал магний", — сказала Аристильд. "Таким образом, природные металлические компоненты почвы могут способствовать улавливанию углерода. Хотя это широко известное явление, мы пролили свет на его структуры и механизмы".

Смешать и объединить

При изучении взаимодействий между отдельными биомолекулами и глинистыми минералами связывание было предсказуемым и простым. Чтобы получить информацию, более близкую к реальным условиям, исследователи смешали различные биомолекулы вместе.

"Мы знаем, что в окружающей среде разные типы биомолекул существуют вместе", — сказала Аристильд. "Поэтому мы также провели эксперименты со смесью биомолекул".

Хотя исследователи изначально думали, что биомолекулы будут конкурировать друг с другом за взаимодействие с глиной, они обнаружили неожиданное поведение. К удивлению, даже положительно заряженные биомолекулы с гибкими структурами были лишены возможности связываться с глинистыми минералами. В то время как по отдельности они легко связывались с глиной, стремление биомолекул связываться друг с другом, по-видимому, превосходило их притяжение к глине.

"Это не было показано ранее", — сказала Аристильд. "Энергия притяжения между двумя биомолекулами на самом деле была выше, чем энергия притяжения биомолекулы к глине. Это привело к уменьшению адсорбции. Это меняет наше представление о том, как молекулы конкурируют на поверхности. Они не просто конкурируют за сайты связывания на поверхности. Они действительно могут притягивать друг друга".

Что дальше

Далее команда планирует изучить, как биомолекулы взаимодействуют с минералами в почвах более теплых регионов, включая тропический климат.

"Теперь, когда мы изучили глинистые минералы, встречающиеся в основном в умеренных зонах, мы хотим понять другие типы минералов", — сказала Аристильд. "Как они улавливают органическое вещество? Процессы одинаковы или различны? Если мы хотим, чтобы углерод оставался в почве, то нам нужно понять, как все это собирается вместе и как эта сборка влияет на доступность для микробов".