Neue Erkenntnisse erklären, wie Böden pflanzlichen Kohlenstoff einfangen

Wenn Kohlenstoffmoleküle aus Pflanzen in den Boden gelangen, treffen sie auf eine entscheidende Weggabelung. Entweder bleibt der Kohlenstoff tage- oder sogar jahrelang im Boden hängen, wo er wirksam abgeschieden wird und nicht sofort in die Atmosphäre gelangt. Oder es ernährt Mikroben, die dann Kohlendioxid (CO2) in die sich ständig erwärmende Umgebung einatmen.

In einer neuen Studie ermittelten Forscher der Northwestern University die Faktoren, die pflanzliches organisches Material in die eine oder andere Richtung lenken könnten.

Durch die Kombination von Laborexperimenten und molekularer Modellierung untersuchten die Forscher Wechselwirkungen zwischen organischen Kohlenstoffbiomolekülen und einer Art Tonmineralien, die dafür bekannt sind, organische Stoffe im Boden einzufangen. Sie fanden heraus, dass elektrostatische Ladungen, Strukturmerkmale von Kohlenstoffmolekülen, umgebende Metallnährstoffe im Boden und die Konkurrenz zwischen Molekülen alle eine wichtige Rolle bei der Fähigkeit (oder Unfähigkeit) des Bodens spielen, Kohlenstoff einzufangen.

Die neuen Erkenntnisse könnten Forschern dabei helfen, vorherzusagen, welche Bodenchemie sich am günstigsten für die Bindung von Kohlenstoff eignet – und möglicherweise zu bodenbasierten Lösungen zur Verlangsamung des vom Menschen verursachten Klimawandels führen.

Der Artikel mit dem Titel „Elektrostatische Kopplung und Wasserüberbrückung in der Adsorptionshierarchie von Biomolekülen an Wasser-Ton-Grenzflächen“ wird am 9. Februar im veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

„Die im Boden gespeicherte Menge an organischem Kohlenstoff beträgt etwa das Zehnfache der Menge an Kohlenstoff in der Atmosphäre“, sagte Ludmilla Aristilde von Northwestern, die leitende Autorin der Studie. „Wenn dieses riesige Reservoir gestört wird, hätte das erhebliche Auswirkungen. Es gibt viele Anstrengungen, den Kohlenstoff gefangen zu halten, um zu verhindern, dass er in die Atmosphäre gelangt. Wenn wir das erreichen wollen, müssen wir zunächst die Mechanismen verstehen, die im Spiel sind.“

Aristilde ist Expertin für die Dynamik organischer Stoffe in Umweltprozessen und außerordentliche Professorin für Bau- und Umweltingenieurwesen an der McCormick School of Engineering im Nordwesten. Jiaxing Wang, ein Ph.D. Student in Aristildes Labor, ist der Erstautor der Arbeit. Rebecca Wilson, eine Studentin an der Northwestern, ist die zweite Autorin des Artikels.

Gewöhnlicher Ton

Mit 2.500 Milliarden Tonnen gebundenem Kohlenstoff ist der Boden nach dem Ozean eine der größten Kohlenstoffsenken der Erde. Doch obwohl Erde überall um uns herum ist, beginnen Forscher gerade erst zu verstehen, wie er Kohlenstoff bindet, um ihn aus dem Kohlenstoffkreislauf zu entfernen.

Um diesen Prozess zu untersuchen, untersuchten Aristilde und ihr Team Smektit-Ton, eine Art Tonmineral, von dem bekannt ist, dass es Kohlenstoff in natürlichen Böden bindet. Anschließend untersuchten sie, wie sich die Oberfläche des Tonminerals an zehn verschiedene Biomoleküle – darunter Aminosäuren, Zucker im Zusammenhang mit Zellulose und Phenolsäuren im Zusammenhang mit Lignin – mit unterschiedlicher Chemie und Struktur bindet.

„Wir haben uns entschieden, dieses Tonmineral zu untersuchen, weil es überall vorkommt“, sagte Aristilde. „Fast alle Böden enthalten Tonmineralien. Ton kommt auch in semiariden und gemäßigten Klimazonen vor – Regionen, von denen wir wissen, dass sie vom Klimawandel betroffen sein werden.“

Gegensätze ziehen sich an

Aristilde und ihr Team untersuchten zunächst Wechselwirkungen zwischen Tonmineralien und einzelnen Biomolekülen. Da Tonmineralien negativ geladen sind, erfuhren Biomoleküle mit positiv geladenen Komponenten (Lysin, Histidin und Threonin) die stärkste Bindung. Interessanterweise wurde diese Bindung jedoch nicht ausschließlich durch elektrostatische Ladungen bestimmt. Mithilfe von 3D-Computermodellen fanden die Forscher heraus, dass auch die Struktur der Biomoleküle eine Rolle spielte.

„Es gibt Fälle, in denen zwei Moleküle beide positiv geladen sind, eines jedoch eine bessere Wechselwirkung mit dem Ton hat als das andere“, sagte Aristilde. „Das liegt daran, dass auch die strukturellen Merkmale der Bindung wichtig sind. Ein Molekül muss flexibel genug sein, um eine strukturelle Anordnung anzunehmen, die sich so positionieren kann, dass seine positiv geladenen Komponenten mit dem Ton ausgerichtet werden. Das Lysin zum Beispiel hat eine langer Arm mit positiver Ladung, mit dem es sich verankern kann.

Ein bisschen Hilfe von Freunden

Folgt man dieser Logik, könnte man annehmen, dass negativ geladene Biomoleküle nicht in der Lage waren, sich an den Ton zu binden. Doch Aristilde und ihr Team entdeckten, dass umgebende, natürliche Metallnährstoffe eingreifen könnten. Positiv geladene Metalle wie Magnesium und Kalzium bildeten eine Brücke zwischen den negativ geladenen Biomolekülen und Tonmineralien, um eine Bindung herzustellen.

„Selbst bei einem Biomolekül, das sich normalerweise nicht an den Ton binden würde, sahen wir einen deutlichen Anstieg der Bindung, wenn Magnesium da war“, sagte Aristilde. „Natürliche Metallbestandteile im Boden können also die Kohlenstoffbindung erleichtern. Obwohl es sich um ein weit verbreitetes Phänomen handelt, bringen wir Licht in die Strukturen und Mechanismen.“

Mischen und mischen

Bei der Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen einzelnen Biomolekülen und Tonmineralien stellten die Forscher fest, dass die Bindung vorhersehbar und unkompliziert war. Um Informationen zu erhalten, die besser auf reale Umgebungen abgestimmt sind, vermischten Aristilde und ihr Team die verschiedenen Biomoleküle.

„Wir wissen, dass verschiedene Arten von Biomolekülen in der Umwelt gemeinsam existieren“, sagte Aristilde. „Also haben wir auch Experimente mit einer Mischung von Biomolekülen durchgeführt.“

Obwohl die Forscher zunächst dachten, die Biomoleküle würden miteinander konkurrieren, um mit dem Ton zu interagieren, entdeckten sie stattdessen unerwartete Verhaltensweisen. Überraschenderweise wurde sogar die Bindung von positiv geladenen Biomolekülen mit flexiblen Strukturen an die Tonminerale verhindert. Während sie sich allein leicht an den Ton binden, scheint der Drang der Biomoleküle, sich untereinander zu verbinden, ihre Anziehungskraft auf den Ton zu überwiegen.

„Das wurde noch nie gezeigt“, sagte Aristilde. „Die Anziehungsenergie zwischen zwei Biomolekülen war tatsächlich höher als die Anziehungsenergie eines Biomoleküls an den Ton. Das führte zu einer Verringerung der Adsorption. Es verändert die Art und Weise, wie wir darüber denken, wie Moleküle auf der Oberfläche konkurrieren. Sie sind nicht einfach.“ konkurrieren um Bindungsstellen auf der Oberfläche. Sie können sich tatsächlich gegenseitig anziehen.“

Was kommt als nächstes

Als nächstes wollen Aristilde und ihr Team untersuchen, wie Biomoleküle mit Mineralien in Böden in wärmeren Regionen, einschließlich tropischem Klima, interagieren. In einem weiteren verwandten Projekt wollen sie untersuchen, wie organische Stoffe in Flüssen und anderen Wassersystemen transportiert werden.

„Nachdem wir Tonmineralien untersucht haben, die hauptsächlich in gemäßigten Zonen vorkommen, wollen wir andere Arten von Mineralien verstehen“, sagte Aristilde. „Wie fangen sie organisches Material ein? Sind die Prozesse gleich oder unterschiedlich? Wenn wir den Kohlenstoff im Boden einschließen wollen, müssen wir verstehen, wie alles zusammengesetzt ist und wie sich dieser Aufbau auf die Zugänglichkeit für Mikroben auswirkt.“