最新研究揭示了土壤捕捉來自植物的大氣碳的機制。當植物中的碳分子進入土壤時，會遇到一個明確的岔路口。碳要麼被困在土壤中數天甚至數年，被有效地封存起來，不會立即進入大氣。或者，碳為微生物提供養料，微生物透過呼吸將二氧化碳（CO2）排入不斷變暖的環境中。在一項新的研究中，美國西北大學的研究人員確定了可能使植物性有機物向一個方向或另一個方向傾斜的因素。

研究人員確定了決定土壤是捕獲碳還是以二氧化碳形式釋放碳的關鍵因素，突顯了分子相互作用和土壤化學的作用，可能有助於減緩氣候變遷的努力。Smectite黏土（如圖）含有已知能在天然土壤中固碳的黏土礦物。資料來源：Francesco Ungaro

透過結合實驗室實驗和分子建模，研究人員研究了有機碳生物分子與一種以捕獲土壤中有機物而聞名的黏土礦物之間的相互作用。他們發現，靜電荷、碳分子的結構特徵、土壤中周圍的金屬養分以及分子間的競爭都對土壤捕集碳的能力（或無能）起著重要作用。

新發現可以幫助研究人員預測哪些土壤化學成分最有利於捕獲碳，從而有可能找到基於土壤的減緩人類造成的氣候變遷的解決方案。這項研究最近發表在《 美國國家科學院院刊》。

研究的資深作者、西北大學的Ludmilla Aristilde 說：”土壤中儲存的有機碳約為大氣中碳含量的十倍。如果這個巨大的儲存庫受到干擾，將會產生巨大的連鎖反應。目前有很多人們在努力將碳封存起來，以防止它進入大氣層。如果我們想這樣做，那麼我們首先必須了解其中的機制。”

身為環境過程中有機物動力學的專家，Aristilde 是西北大學麥考密克工程學院土木與環境工程副教授。王家興是Aristilde 實驗室的博士生，也是論文的第一作者。西北大學本科生Rebecca Wilson 是論文的第二作者。

普通黏土

土壤固碳量達25,000 億噸，是地球上最大的碳匯之一，僅次於海洋。儘管土壤就在我們身邊，但研究人員才剛開始了解它是如何從碳循環中鎖碳固碳的。

為了研究這個過程，阿里斯蒂爾德和她的團隊研究了埃米土，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大分子結合，其中包括氨基酸、與纖維素有關的糖和與木質素有關的酚酸，它們的化學性質和結構各不相同。

“我們決定研究這種黏土礦物，因為它無所不在，”Aristilde 說。”幾乎所有土壤都含有粘土礦物。而且，粘土普遍存在於半乾旱和溫帶氣候地區–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與單一生物分子之間的相互作用。由於黏土礦物帶負電荷，帶正電荷的生物分子（離胺酸、組胺酸和蘇胺酸）的結合力最強。但有趣的是，這種結合並非完全由靜電荷決定。研究人員利用三維計算模型發現，生物分子的結構也發揮了作用。他說：”在有些情況下，兩個分子都帶正電，但其中一個分子與粘土的相互作用比另一個更好。這是因為結合的結構特徵也很重要。分子必須足夠靈活，能夠採用一種結構排列方式，使其帶正電荷的成分與粘土對齊。例如，賴氨酸有一個帶正電荷的長臂，可以用來固定自己。”

朋友的幫助

按照這種邏輯，人們可能會認為帶負電荷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，周圍的天然金屬養分可以介入其中。帶正電荷的金屬（如鎂和鈣）在帶負電荷的生物分子和黏土礦物之間架起了一座橋樑，形成了一種結合。

即使是通常不會與黏土結合的生物分子，當鎂存在時，也能夠看到其結合率顯著提高。因此，土壤中的天然金屬成分可以促進碳捕集。雖然這是一個廣泛報導的現象，但研究人員揭示了其結構和機制。

混合與交融

在研究單一生物分子與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直接的。為了獲得更接近真實世界環境的訊息，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是共存的，”阿里斯蒂爾德說。”因此，我們也進行了生物分子混合物的實驗。

雖然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。一個令人驚訝的轉折是，即使是具有柔性結構的帶正電荷的生物大分子也會受到抑制，無法與黏土礦物結合。雖然它們在單獨存在時很容易與黏土結合，但生物大分子相互結合的衝動似乎取代了它們對黏土的吸引力。這在以前是沒有過的。兩種生物分子之間的吸引能量實際上高於生物分子對黏土的吸引能量。這導致吸附力下降。這改變了我們對分子如何在表面上競爭的看法。它們不僅僅是在爭奪表面的結合位點。它們實際上可以相互吸引。

下一步行動

接下來，阿里斯蒂爾德和她的團隊計劃研究在包括熱帶氣候在內的溫暖地區發現的土壤中，生物分子是如何與礦物質相互作用的。在另一個相關項目中，他們的目標是探索有機物如何在河流和其他水系中遷移。

阿里斯蒂爾德說：「既然我們已經研究了主要存在於溫帶地區的黏土礦物，我們就想了解其他類型的礦物。它們是如何捕獲有機物的？過程是相同還是不同？如果我們想讓碳繼續留在土壤中，那麼我們就需要了解它們是如何組合的，以及這種組合是如何影響微生物的可及性的。”

編譯來源：ScitechDaily