Während die meisten Menschen bei der Betrachtung des Klimawandels zuerst an atmosphärische Kohlenstoffemissionen aus fossilen Brennstoffen denken, speichert der Boden des Planeten tatsächlich mehr Kohlenstoff und könnte in den kommenden Jahren zu einer Hauptquelle für die Freisetzung von Kohlenstoff oder zu einer Minderungstaktik werden. Wie Böden Kohlenstoff speichern, wann und wie viel sie an die Atmosphäre abgeben und wie sie dazu gebracht werden können, mehr zu absorbieren, ist Gegenstand intensiver Forschung, während Wissenschaftler versuchen, die ablaufenden Prozesse zu verstehen, Umweltveränderungen vorherzusagen und dieses Wissen zur Heilung zu nutzen der Planet.
Am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums arbeitet die Biogeochemikerin Elizabeth Herndon mit Kollegen zusammen, um ein bisher wenig beachtetes Puzzleteil zu untersuchen: die Rolle von Mangan im Kohlenstoffkreislauf. Mangan ist ein metallischer Mikronährstoff, der an Pflanzenwachstum und -funktion beteiligt ist. Beispielsweise wird Mangan in der Photosynthese verwendet, um Wassermoleküle in Sauerstoff umzuwandeln. Mangan beeinflusst auch andere Ökosystem-Kohlenstoffdynamiken wie den Abbau von Pflanzenmaterial und die Stabilisierung von organischem Material in Böden.
Die ORNL-Wissenschaftler erläuterten in einem kürzlich erschienenen Papier, wie weitere Forschung das Verständnis der Auswirkungen des Metalls auf Kohlenstoff und das Klima verbessern kann. Herndon und das Team stellten Fragen, mit denen sich die Wissenschaft befassen kann, z. B. wie Pilze Mangan verwenden, um zähe Pflanzenbestandteile wie Lignin abzubauen, und wie das im Pflanzengewebe vorhandene Mangan verwendet werden könnte, um beim Abbau organischer Stoffe zu helfen – Prozesse, die für die Bindung von Kohlenstoff in Böden wichtig sind .
Die Funktion und der Einfluss von Mineralien wie Eisen auf den Bodenkohlenstoff wurden gründlicher untersucht. Aber Herndons Arbeit hat bereits gezeigt, dass Mangan, obwohl es typischerweise in geringeren Konzentrationen im Boden vorhanden ist, genauso viel zum Kohlenstoffkreislauf beitragen kann.
„Manganoxide sind ein sehr reaktiver Bestandteil von Böden“, sagte Herndon. „Wir haben Mangan in Laborexperimenten untersucht, aber wir verstehen nicht wirklich, wie es in der natürlichen Umgebung funktioniert – wie es organische Stoffe umwandelt und die Kohlenstoffspeicherung beeinflusst.“
Manganoxide könnten eine wichtige Rolle bei der Erhaltung organischer Stoffe in gefährdeten Umgebungen spielen, indem sie beispielsweise als „Zemente“ wirken, die den Abbau von Kohlenstoffspeichern begrenzen, stellten die Wissenschaftler in der Veröffentlichung fest. Die Untersuchung, wie sich Mineralien wie Manganoxid in natürlichen Umgebungen an den essentiellen Nährstoff Phosphor binden, könnte auch zu einem besseren Verständnis darüber führen, wie sich städtische und landwirtschaftliche Abflüsse, der Anstieg des Meeresspiegels und Hochwasserschutzmaßnahmen auf Küstenökosysteme auswirken.
Herndon und ihre Kollegen haben sich bereits im Rahmen ihrer Feldarbeit in der arktischen Tundra mit den komplizierten Prozessen im Kohlenstoffkreislauf beschäftigt, wo das ORNL ein großes, institutionenübergreifendes DOE-Projekt namens NGEE Arctic leitet, um die Auswirkungen zu verstehen und zu modellieren des auftauenden Permafrosts. Die Analyse der biogeochemischen Veränderungen beim Auftauen arktischer Böden hat eine Fülle von Daten ergeben, die Wissenschaftlern dabei helfen, die Auswirkungen von Umweltveränderungen zu erkennen und vorherzusagen.
Sie haben auch die Manganverteilung in verschiedenen geografischen Gebieten wie der Wasserscheide Walker Branch in Oak Ridge, Tennessee, untersucht und arbeiten mit Forschern des Landwirtschaftsinstituts der Universität von Tennessee zusammen, um die Manganaufnahme durch Nutzpflanzen und ihre Auswirkungen auf die Zersetzung von Ernterückständen zu bewerten. ORNL-Wissenschaftler arbeiten auch daran, die Darstellung von Manganauswirkungen in vorherrschenden Klimamodellen zu verbessern.
Obwohl diese Prozesse, wie Bodenmineralien organisches Material stabilisieren oder destabilisieren können, sehr wichtig sind, werden sie derzeit nicht in Vorhersagemodelle für die Kohlenstoffspeicherung einbezogen, sagte Herndon. „Es gibt viel Unsicherheit über die Fähigkeit von Böden, Kohlenstoff zu speichern, aber sie könnten eine sehr wichtige Rolle bei der Eindämmung des Klimawandels spielen.“
„Unsere Ziele hier am ORNL“, sagte Herndon, „sind nicht nur zu verstehen, was diese Wechselwirkungen zwischen Bodenmineralien sind, sondern sie auch in einen quantitativen Rahmen einzuordnen, damit sie in unsere Modelle integriert werden können, um die Zukunft besser vorhersagen und vorbereiten zu können. “
Hui Li et al, A Critical Review on the Multiple Roles of Manganese in Stabilizing and Destabilizing Soil Organic Matter, Umweltwissenschaft und -technologie (2021). DOI: 10.1021/acs.est.1c00299