廣州地化所、深地科學(xué)卓越研究中心提出水體CO2增匯新策略——礦物增效的生物泵(Mineral-enhanced Biological Pump;MeBP)
為達(dá)成《巴黎協(xié)定》提出的全球氣候變化之控制目標(biāo),世界主要國家正采取措施以期努力實現(xiàn)二氧化碳(CO2)有效減排??萍己彤a(chǎn)業(yè)界也在積極發(fā)展CO2捕集、利用和存儲技術(shù)(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS;或Carbon Capture and Sequestration, CCS),例如直接捕集工業(yè)排放的CO2并將其注入深部地層進(jìn)行地質(zhì)封存等。


海洋是地球上最大的活躍碳庫,其CO2儲存量占地球總儲碳量的93%。因此,海洋增匯和負(fù)排放技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)注。其思路主要是基于生物泵、微型生物碳泵、碳酸鹽泵等機(jī)制或其組合,發(fā)展相應(yīng)的技術(shù)方法,通過增加顆粒有機(jī)碳、自生碳酸鹽等儲碳物質(zhì)的產(chǎn)量,并使其高效輸出至深海埋藏,實現(xiàn)長時間尺度固碳。其中,生物泵作用是指浮游生物通過光合作用將大氣CO2轉(zhuǎn)化為顆粒有機(jī)碳,經(jīng)沉降運(yùn)移至深海儲存。生物泵作用的規(guī)模巨大,對大氣CO2含量有重要調(diào)節(jié)作用。硅藻是生物泵作用的典型微生物,其在海洋中數(shù)量龐大,貢獻(xiàn)了約40%的全球海洋初級生產(chǎn)力。硅藻的光合作用效率極高;海洋硅藻通過光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)碳量,與陸地?zé)釒в炅钟袡C(jī)碳的產(chǎn)量持平?;谏锉米饔迷?,已發(fā)展出諸如大洋施鐵肥(Ocean Iron Fertilization;OIF)等旨在增加海洋碳匯的地球工程(Geoengineering)技術(shù)。
然而,盡管海洋表層水體中硅藻爆發(fā)所產(chǎn)生的生物硅量很大,但因殼體(硅藻的硅質(zhì)骨架)有機(jī)質(zhì)分解、生物硅溶解等作用,最終輸出至深海的生物硅量至多僅占表層生物硅量的~3%(Treguer等,Biogeosciences,2021)。多項研究亦證明,OIF雖能促使浮游生物爆發(fā),卻不能有效提高有機(jī)碳輸運(yùn)至深海的效率。因此,若能發(fā)展生物泵作用調(diào)控方法、提高OIF等水體固碳策略中有機(jī)碳垂向輸出效率,將對有效開展水體固碳、助力實現(xiàn)碳中和目標(biāo)產(chǎn)生重要意義。

圖1. 硅藻-粘土(黏土)礦物相互作用產(chǎn)物的微結(jié)構(gòu)(展示了硅藻對粘土礦物的微生物溶解作用及其對粘土礦物結(jié)構(gòu)鋁的吸收;詳見論文原文)
近年來,中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所、深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心袁鵬研究員和劉冬特任研究員等針對與生物泵作用密切相關(guān)的微生物-元素-粘土(黏土)礦物相互作用開展了系列研究,發(fā)現(xiàn)硅藻生物硅在水中的沉降受環(huán)境中鋁等元素和粘土礦物的顯著影響;硅藻可獲取粘土礦物溶解所釋放的鋁,并吸收其進(jìn)入殼體骨架;硅藻等微生物易與粘土礦物顆粒發(fā)生團(tuán)聚。上述效應(yīng)可抑制硅藻生物硅溶解,減少有機(jī)碳在沉降中的損失,有助于水體CO2增匯。
基于相關(guān)研究結(jié)果,袁鵬和劉冬提出了一種新的水體CO2增匯策略假說——“礦物增效的生物泵(Mineral-enhanced Biological Pump;MeBP)”。該策略提出,可在OIF等基于水體的地球工程或生態(tài)工程中施加粘土礦物等礦粉,通過調(diào)節(jié)礦物類型配比、調(diào)控顆粒特性,提升微生物有機(jī)質(zhì)-礦物復(fù)合體的沉降效率,阻滯顆粒有機(jī)碳損失,從而提高生物泵的固碳效率,實現(xiàn)水體CO2增匯。MeBP具有靶向性、應(yīng)用可拓展性和環(huán)境友好性等潛在優(yōu)勢,可望單獨(dú)應(yīng)用或與其它水體固碳策略聯(lián)用。

圖2. 礦物增效的生物泵(MeBP)作用機(jī)制示意圖
相關(guān)論文發(fā)表于國際SCI期刊Applied Clay Science。研究工作獲得了國家高層次人才特殊支持計劃領(lǐng)軍人才項目和國家自然科學(xué)基金等項目的資助。
論文信息:Yuan P*, Liu D. Proposing a potential strategy concerning Mineral-enhanced Biological Pump (MeBP) for improving Ocean Iron Fertilization (OIF). Appl Clay Sci, 2021, 207: 106096. DOI: org/10.1016/j.clay.2021.106096

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