新發現解釋了土壤如何捕獲植物碳

當植物中的碳分子進入土壤時，它們就遇到了一個明確的岔路口。 碳要么被困在土壤中數天甚至數年，要么被有效地隔離，不會立即進入大氣。 或它餵養微生物，然後微生物呼吸二氧化碳（CO₂）進入不斷變暖的環境。

在一項新的研究中，西北大學的研究人員確定了可能導致植物基食品傾斜的因素有機物朝一個方向或另一個方向。

透過結合實驗室實驗和分子模型，研究人員研究了有機碳生物分子和一種有機碳之間的相互作用。黏土礦物以捕獲土壤中的有機物而聞名。 他們發現靜電荷、結構特徵碳分子、土壤中周圍的金屬養分以及分子之間的競爭都在土壤捕獲碳的能力（或不能力）中發揮重要作用。

這些新發現可以幫助研究人員預測哪些土壤化學物質最有利於捕獲碳，從而可能找到基於土壤的解決方案來減緩人為造成的氣候變遷。

這篇題為「水-黏土界面生物分子吸附層次中的靜電耦合和水橋接」的文章將於 2 月 9 日發表在美國國家科學院院刊。

該研究的資深作者、西北大學的盧德米拉·阿里斯蒂爾德 (Ludmilla Aristilde) 表示：“土壤中儲存的有機碳量約為大氣中碳量的 10 倍。” 「如果這個巨大的水庫受到干擾，就會產生巨大的連鎖反應。有很多努力來阻止碳進入大氣層。如果我們想做到這一點，那麼我們首先必須了解其中的機制。”

阿里斯蒂爾德是環境過程中有機物動力學的專家，也是西北大學麥考密克工程學院土木與環境工程副教授。 王嘉興，博士 阿里斯蒂爾德實驗室的學生，是論文的第一作者。 西北大學本科生麗貝卡·威爾遜是該論文的第二作者。

普通黏土

土壤蘊藏 2.5 兆噸碳，是地球上最大的碳匯之一，僅次於海洋。 但儘管土壤就在我們周圍，研究人員才剛開始了解它如何鎖住碳並將其從碳循環中隔離出來。

為了研究這個過程，阿里斯蒂爾德和她的團隊研究了蒙脫石粘土，這是一種已知能在天然土壤中固碳的黏土礦物。 然後，他們研究了黏土礦物的表面如何與十種不同的生物分子結合，包括胺基酸、與纖維素相關的糖和與木質素相關的酚酸－具有不同的化學和結構。

「我們決定研究這種黏土礦物，因為它無所不在，」阿里斯蒂爾說。 “幾乎所有土壤都含有粘土礦物。此外，粘土在半乾旱和溫帶氣候中普遍存在，我們知道這些地區將受到氣候變遷的影響。”

異性相吸

阿里斯蒂爾德和她的團隊首先研究了黏土礦物和單一生物分子之間的相互作用。 由於黏土礦物質帶負電，因此具有帶正電成分（離胺酸、組胺酸和蘇胺酸）的生物分子具有最強的結合力。 但有趣的是，這種結合不僅僅是由靜電荷決定。 利用 3D 計算模型，研究人員發現生物分子的結構也發揮了作用。

「在某些情況下，兩個分子都帶正電，但其中一個分子與黏土的相互作用比另一個分子更好，」阿里斯蒂爾德說。 「這是因為結合的結構特徵也很重要。分子必須足夠靈活，才能採用一種結構排列，能夠以使其帶正電的成分與粘土對齊的方式定位自身。例如，賴氨酸具有長臂與正電荷它可以用來錨定自己。

朋友的一點幫助

按照這個邏輯，人們可能會認為帶負電的生物分子無法與黏土結合。 但阿里斯蒂爾德和她的團隊發現周圍的天然金屬營養物質可以介入。 帶正電的金屬（例如鎂和鈣）在帶負電的生物分子和黏土礦物質之間形成橋樑，從而形成化學鍵。

「即使有一個生物分子通常不會與黏土結合，但當鎂存在時，我們發現結合力顯著增加，」阿里斯蒂爾說。「因此，土壤中的天然金屬成分可以促進碳捕獲。 儘管這是一個被廣泛報導的現象，但我們揭示了其結構和機制。

混合並混合

在研究單一生物分子和黏土礦物之間的相互作用時，研究人員發現結合是可預測且簡單的。 為了獲得與現實世界環境更接近的信息，阿里斯蒂爾德和她的團隊將不同的生物分子混合在一起。

「我們知道環境中不同類型的生物分子共存，」阿里斯蒂爾德說。 “因此，我們也用生物分子混合物進行了實驗。”

儘管研究人員最初認為生物分子會相互競爭與黏土相互作用，但他們卻發現了意想不到的行為。 令人驚訝的是，即使是具有柔性結構的帶正電的生物分子也被抑制與黏土礦物的結合。 雖然它們單獨時很容易與黏土結合，但生物分子彼此結合的衝動似乎取代了它們對黏土的吸引力。

「這以前沒有被證明過，」阿里斯蒂爾德說。 「兩個生物分子之間的吸引力能量實際上高於生物分子對黏土的吸引力能量。這導致吸附量減少。它改變了我們對分子如何在表面競爭的看法。它們不僅僅是它們實際上可以相互吸引。

下一步是什麼

接下來，阿里斯蒂爾德和她的團隊計劃研究生物分子如何與溫暖地區（包括熱帶氣候）土壤中的礦物質相互作用。 在另一個相關項目中，他們旨在探索有機物如何在河流和其他水系統中運輸。

「既然我們已經研究了主要在溫帶地區發現的黏土礦物，我們想了解其他類型的礦物，」阿里斯蒂爾德說。 「它們如何捕獲有機物？這些過程是相同還是不同？如果我們想將碳捕獲在土壤，那麼我們需要了解它是如何組裝的，以及這種組裝如何影響微生物的可及性。