了解土壤如何捕获碳

当植物的碳分子进入土壤时，它们会撞到一个明确的岔路口。

碳要么被困在土壤中数天甚至数年，在那里它被有效地隔离，不会立即进入大气。或者它喂养微生物，然后将二氧化碳（CO₂）呼吸到不断变暖的环境中。

在一项新的研究中，西北大学的研究人员确定了可能使植物性有机物朝一个方向或另一个方向倾斜的因素。

通过结合实验室实验和分子建模，研究人员研究了有机碳生物分子与一种以捕获土壤中有机物而闻名的粘土矿物之间的相互作用。他们发现，静电荷、碳分子的结构特征、土壤中周围的金属养分以及分子之间的竞争都在土壤捕获碳的能力（或无能力）中起着重要作用。

这些新发现可以帮助研究人员预测哪些土壤化学物质最有利于捕获碳，从而可能导致基于土壤的解决方案来减缓人为造成的气候变化。

该研究将于周五（2月9日）发表在《美国国家科学院院刊》上。

“土壤中储存的有机碳量大约是大气中碳量的十倍，”该研究的资深作者西北大学的Ludmilla Aristilde说。“如果这个巨大的水库受到扰动，它将产生巨大的连锁反应。有许多努力来捕获碳以防止其进入大气。如果我们想做到这一点，那么我们首先必须了解起作用的机制。

Aristilde是环境过程中有机物动力学方面的专家，是西北大学麦考密克工程学院土木与环境工程副教授。Aristilde实验室的博士生Jiaxing Wang是该论文的第一作者。西北大学的本科生丽贝卡·威尔逊（Rebecca Wilson）是该论文的第二作者。

普通粘土

土壤拥有2.5万亿吨固碳，是地球上最大的碳汇之一，仅次于海洋。但是，尽管土壤无处不在，但研究人员才刚刚开始了解它如何锁定碳以将其从碳循环中隔离出来。

为了研究这一过程，Aristilde和她的团队研究了蒙脱石粘土，这是一种已知在天然土壤中封存碳的粘土矿物。然后，他们研究了粘土矿物的表面如何与十种不同的生物分子结合 – 包括氨基酸，与糖相关的纤维素和与木质素相关的酚酸 – 具有不同的化学和结构。

“我们决定研究这种粘土矿物，因为它无处不在，”阿里斯蒂尔德说。“几乎所有的土壤都含有粘土矿物。此外，粘土在半干旱和温带气候中很普遍，我们知道这些地区将受到气候变化的影响。

异性相吸

Aristilde和她的团队首先研究了粘土矿物与单个生物分子之间的相互作用。由于粘土矿物带负电荷，因此带正电荷成分（赖氨酸、组氨酸和苏氨酸）的生物分子的结合力最强。但是，有趣的是，这种结合不仅仅是由静电荷决定的。利用3D计算建模，研究人员发现生物分子的结构也发挥了作用。