发布时间：2024-02-06 16:09:41 栏目：生活
当植物中的碳分子进入土壤时，它们就遇到了一个明确的岔路口。
碳要么被困在土壤中数天甚至数年，要么被有效地隔离，不会立即进入大气。或者它喂养微生物，然后微生物将二氧化碳 (CO 2 ) 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模型，研究人员研究了有机碳生物分子和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(或不能)中发挥着重要作用。
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，从而可能找到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 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 卢德米拉·阿里斯蒂尔德 (Ludmilla Aristilde)说。“如果这个巨大的水库受到扰动，将会产生巨大的连锁反应。人们采取了许多措施来捕获碳，以防止其进入大气中。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。”
阿里斯蒂尔德是环境过程中有机物动力学方面的专家，也是西北大学麦考密克工程学院土木与环境工程副教授 。王嘉兴，博士 阿里斯蒂尔德实验室的学生，是该论文的第一作者。西北大学本科生丽贝卡·威尔逊是该论文的第二作者。
普通粘土
土壤蕴藏着 2.5 万亿吨碳，是地球上最大的碳汇之一，仅次于海洋。但尽管土壤就在我们周围，研究人员才刚刚开始了解它如何锁住碳并将其从碳循环中隔离出来。
为了研究这一过程，阿里斯蒂尔德和她的团队研究了蒙脱石粘土，这是一种已知能在天然土壤中固碳的粘土矿物。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(包括氨基酸、与纤维素相关的糖和与木质素相关的酚酸)结合，这些生物分子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。“几乎所有土壤都含有粘土矿物。此外，粘土在半干旱和温带气候中普遍存在——我们知道这些地区将受到气候变化的影响。”
异性相吸
阿里斯蒂尔德和她的团队首先研究了粘土矿物和单个生物分子之间的相互作用。由于粘土矿物质带负电，因此具有带正电成分(赖氨酸、组氨酸和苏氨酸)的生物分子具有最强的结合力。但有趣的是，这种结合不仅仅由静电荷决定。利用 3D 计算模型，研究人员发现生物分子的结构也发挥了作用。
“在某些情况下，两个分子都带正电，但其中一个分子与粘土的相互作用比另一个分子更好，”阿里斯蒂尔德说。“这是因为装订的结构特征也很重要。分子必须足够灵活，才能采用一种结构排列，能够以使其带正电的成分与粘土对齐的方式定位自身。例如，赖氨酸有一个带正电荷的长臂，可以用来锚定自身。”
来自朋友的一点帮助
按照这一逻辑，人们可能会认为带负电的生物分子无法与粘土结合。但阿里斯蒂尔德和她的团队发现周围的天然金属营养物质可以进行干预。带正电的金属(例如镁和钙)在带负电的生物分子和粘土矿物质之间形成桥梁，从而形成化学键。
“即使生物分子通常不会与粘土结合，但当镁存在时，我们发现结合力显着增加，”阿里斯蒂尔德说。“因此，土壤中的天然金属成分可以促进碳捕获。尽管这是一个被广泛报道的现象，但我们揭示了其结构和机制。”
混合并混合
在研究单个生物分子和粘土矿物之间的相互作用时，研究人员发现结合是可预测且简单的。为了获得与现实世界环境更接近的信息，阿里斯蒂尔德和她的团队将不同的生物分子混合在一起。
“我们知道环境中不同类型的生物分子共存，”阿里斯蒂尔德说。“因此，我们还用生物分子混合物进行了实验。”
尽管研究人员最初认为生物分子会相互竞争与粘土相互作用，但他们却发现了意想不到的行为。令人惊讶的是，即使是具有柔性结构的带正电的生物分子也被抑制与粘土矿物的结合。虽然它们单独时很容易与粘土结合，但生物分子彼此结合的冲动似乎取代了它们对粘土的吸引力。
“这以前从未被证明过，”阿里斯蒂尔德说。“两个生物分子之间的吸引力能实际上高于生物分子对粘土的吸引力能。这导致吸附量下降。它改变了我们思考分子如何在表面竞争的方式。它们不只是争夺表面的结合位点。他们实际上可以互相吸引。”
下一步是什么
接下来，阿里斯蒂尔德和她的团队计划研究生物分子如何与温暖地区(包括热带气候)土壤中的矿物质相互作用。在另一个相关项目中，他们旨在探索有机物如何在河流和其他水系统中运输。
“既然我们已经研究了主要在温带地区发现的粘土矿物，我们想了解其他类型的矿物，”阿里斯蒂尔德说。“它们如何捕获有机物?流程相同还是不同?如果我们想将碳困在土壤中，那么我们需要了解它是如何组装的，以及这种组装如何影响微生物的接触。”
这项名为“水-粘土界面生物分子吸附层次中的静电耦合和水桥”的研究得到了国家科学基金会(奖项号 CBET-1653092)的支持。
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