广州地化所提出“矿物增效的生物泵(MeBP)”假说及其潜在“碳中和”应用

  • 文/广州地化所 图/广州地化所 (中国科学院广州地球化学研究所)
  • 创建于 2022-05-10
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  2015年12月,人类应对全球气候变化危机的重要国际公约——《联合国气候变化框架公约》(即《巴黎协定》)在巴黎气候变化大会上通过。该公约约定,将全球本世纪的平均气温上升幅度(相比前工业化时期)控制在2摄氏度(甚至1.5摄氏度)以内。我国已郑重承诺“争取2060年前实现碳中和”,这体现了我国在应对全球气候变化这一关乎人类命运之重大问题上的担当。为此,科技界和产业界正积极开展CO2捕集、利用和存储技术研发,通过多种途径努力促成CO2减排。

  海洋是占地球总储碳量93%的最大活跃碳库(Friedlingstein et al., 2020),其CO2增汇和负排放技术近年来受到了广泛关注。生物地球化学作用是海洋固碳的重要途径,生物碳泵(Biological Carbon Pump;简称“生物泵”)是其中的一种关键机制。它是指硅藻等浮游微生物通过光合作用将CO2转化为颗粒有机碳,再通过沉降等方式将其输运至深水或水底实现固碳。硅藻等微生物数量庞大、光合作用效率高,其生物泵所产有机碳的规模宏大。以海洋硅藻为例,它贡献了约40%的全球海洋初级生产力(Tréguer et al., 2013, 2017),产生的有机碳量达~194亿吨/年(Armbrust, 2009),高于地球上整个陆地热带雨林的有机碳产量。
  然而,硅藻生物泵产出的有机碳量虽大,最终进入深水形成碳汇的比例却很小。其中75%以上的颗粒有机碳在水体上层透光带就通过代谢等过程被降解为溶解无机碳;残余硅藻即便穿过透光带向下沉降,也因生物硅(即硅藻蛋白石)溶解和有机质持续分解等效应,难以抵达深水区。透光带浮游微生物经光合作用产出的有机碳,仅有约0.1-0.3%沉降至海底(Marsay et al., 2015)。若以生物硅的量计,则上层生物硅量仅有约3%能够抵达海底(Tréguer et al., 2021)。
  硅藻生物泵产出的巨量有机碳输运至深水区的效率低,意味着其固碳效应“增效和增汇”提升的潜力巨大。如果能够探明制约生物泵有机碳传输的因素和条件,进而发展出提高生物泵的有机碳垂向传输效率的方法技术,对于有效发挥海洋这一巨型碳库在“碳中和”中的作用,具有重要意义。
  近年来,国科大导师、中国科学院广州地球化学研究所、深地科学卓越创新中心的袁鹏和刘冬等研究人员针对与生物泵作用密切相关的微生物-元素-粘土(黏土)矿物相互作用开展了系列研究,发现硅藻生物硅在水中的沉降受环境中铝等元素和粘土矿物的显著影响;硅藻可获取粘土矿物溶解所释放的铝,并吸收其进入壳体骨架;硅藻等微生物的壳体易与粘土矿物颗粒发生团聚。上述效应可抑制硅藻生物硅溶解,减少有机碳在沉降中的损失,有助于生物泵作用的CO2增汇。此外,由于粘土矿物和硅藻壳体对环境毒害物质(如重金属元素)具有较强吸附作用,粘土矿物-硅藻壳体团聚体还具有固定毒害元素等有益的环境效应。
  基于上述相关研究和所获认识,袁鹏和刘冬提出了一种水体CO2增汇策略假说——“矿物增效的生物泵(Mineral-enhanced Biological Pump;MeBP)”。该假说认为,在基于水体的地球工程或生态工程中施加粘土矿物等矿粉,通过调节矿物配比、调控颗粒特性,可提升微生物有机质-矿物复合体的沉降效率,阻滞颗粒有机碳损失,从而提高生物泵的固碳效率,实现水体CO2增汇。有关MeBP的概念和内涵的论文近期发表于《科学通报》。文中阐释和探讨了MeBP的理论依据、可能的实施途径、潜在应用场景和环境生态风险及其规避思路,以期引发对水体固碳增汇方法的新思考,并推动可持续、生态上可接受、能转化为实际应用的水体碳增汇新技术的研发。
  论文指出,MeBP作为一种旨在人为干预水体碳循环、实现CO2增汇的策略,具有功能可控和可拓展性、靶向性等潜在优势,体现在:
  (1)可调控、可拓展和可集成性。在基于生物泵的水体增汇方法中引入施加粘土矿物环节,相当于对硅藻壳体进行“改性”,并经由溶解抑制、团聚沉降等机制,促进有机碳的垂向输出。通过调控该过程中粘土矿物的“配方”和添加量,可望优化硅藻生物泵的固碳效率。此外,MeBP的应用可从海洋扩展至湖泊、大型水库等场景;并可与微型生物碳泵、碳酸盐泵等固碳策略或生态工程联用,实现固碳增汇效果的优化。
  (2)靶向性——定向作用于硅藻等硅营养微生物之特性。硅营养的持续供给对硅藻爆发十分关键,而人为添加的粘土矿物结构中的硅恰可为硅藻生长提供营养。硅藻生命活动所导致的粘土溶解作用,以及铝进入壳体结构的过程,很可能“靶向”发生于硅藻和邻近的矿物颗粒之间。此“靶向性”特点可使基于MeBP的水体增汇工程定向促进硅藻爆发,而避免非期望浮游生物的爆发,从而提高固碳作用的可控性。
  此外,粘土矿物作为输入水体的主要无机物,广泛参与着水体的微生物地球化学过程,与水体生态系统相容性良好;并且,基于MeBP策略进行海洋等水体的增汇在某种程度上与大洋降尘促进生物泵作用的自然过程类似;这为MeBP策略的实施提供了环境安全方面的保障。此外,通过优化矿物施加配方和用量,还可发挥粘土矿物和硅藻壳体对环境毒害元素的吸附作用,在实现有机碳高效输出的同时,有效降低其环境和生态风险。
  原文链接:https://www.sciengine.com/CSB/article;JSESSIONID=a80f76aa-ef80-4b7a-ae2a-df2e4b9a4b98?doi=10.1360/TB-2021-1267&scroll=

矿物增效的生物泵(MeBP)示意图

责任编辑:刘虹洁