新聞動態(tài)袁鵬&劉冬-《科學通報》：“礦物增效的生物泵（MeBP）”假說及其潛在的“碳中和”應用
2015年12月，人類應對全球氣候變化危機的重要國際公約——《聯(lián)合國氣候變化框架公約》（即《巴黎協(xié)定》）在巴黎氣候變化大會上通過。該公約約定，將全球本世紀的平均氣溫上升幅度（相比前工業(yè)化時期）控制在2攝氏度（甚至1.5攝氏度）以內(nèi)。我國已鄭重承諾“爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”，這體現(xiàn)了我國在應對全球氣候變化這一關(guān)乎人類命運之重大問題上的擔當。為此，科技界和產(chǎn)業(yè)界正積極開展CO2捕集、利用和存儲技術(shù)研發(fā)，通過多種途徑努力促成CO2減排。
海洋是占地球總儲碳量93%的最大活躍碳庫（Friedlingstein et al., 2020），其CO2增匯和負排放技術(shù)近年來受到了廣泛關(guān)注。生物地球化學作用是海洋固碳的重要途徑，生物碳泵（Biological Carbon Pump；簡稱“生物泵”）是其中的一種關(guān)鍵機制。它是指硅藻等浮游微生物通過光合作用將CO2轉(zhuǎn)化為顆粒有機碳，再通過沉降等方式將其輸運至深水或水底實現(xiàn)固碳。硅藻等微生物數(shù)量龐大、光合作用效率高，其生物泵所產(chǎn)有機碳的規(guī)模宏大。以海洋硅藻為例，它貢獻了約40%的全球海洋初級生產(chǎn)力（Tréguer et al., 2013, 2017），產(chǎn)生的有機碳量達~194億噸/年（Armbrust, 2009），高于地球上整個陸地熱帶雨林的有機碳產(chǎn)量。
然而，硅藻生物泵產(chǎn)出的有機碳量雖大，最終進入深水形成碳匯的比例卻很小。其中75%以上的顆粒有機碳在水體上層透光帶就通過代謝等過程被降解為溶解無機碳；殘余硅藻即便穿過透光帶向下沉降，也因生物硅（即硅藻蛋白石）溶解和有機質(zhì)持續(xù)分解等效應，難以抵達深水區(qū)。透光帶浮游微生物經(jīng)光合作用產(chǎn)出的有機碳，僅有約0.1-0.3%沉降至海底（Marsay et al., 2015）。若以生物硅的量計，則上層生物硅量僅有約3%能夠抵達海底（Tréguer et al., 2021）。
硅藻生物泵產(chǎn)出的巨量有機碳輸運至深水區(qū)的效率低，意味著其固碳效應“增效和增匯”提升的潛力巨大。如果能夠探明制約生物泵有機碳傳輸?shù)囊蛩睾蜅l件，進而發(fā)展出提高生物泵的有機碳垂向傳輸效率的方法技術(shù)，對于有效發(fā)揮海洋這一巨型碳庫在“碳中和”中的作用，具有重要意義。
近年來，中國科學院廣州地球化學研究所、深地科學卓越創(chuàng)新中心袁鵬和劉冬等研究人員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，并吸收其進入殼體骨架；硅藻等微生物的殼體易與粘土礦物顆粒發(fā)生團聚。上述效應可抑制硅藻生物硅溶解，減少有機碳在沉降中的損失，有助于生物泵作用的CO2增匯。此外，由于粘土礦物和硅藻殼體對環(huán)境毒害物質(zhì)（如重金屬元素）具有較強吸附作用，粘土礦物-硅藻殼體團聚體還具有固定毒害元素等有益的環(huán)境效應。
基于上述相關(guān)研究和所獲認識，袁鵬和劉冬提出了一種水體CO2增匯策略假說——“礦物增效的生物泵（Mineral-enhanced Biological Pump；MeBP）”。該假說認為，在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)礦物配比、調(diào)控顆粒特性，可提升微生物有機質(zhì)-礦物復合體的沉降效率，阻滯顆粒有機碳損失，從而提高生物泵的固碳效率，實現(xiàn)水體CO2增匯。有關(guān)MeBP的概念和內(nèi)涵的論文近期發(fā)表于《科學通報》。文中闡釋和探討了MeBP的理論依據(jù)、可能的實施途徑、潛在應用場景和環(huán)境生態(tài)風險及其規(guī)避思路，以期引發(fā)對水體固碳增匯方法的新思考，并推動可持續(xù)、生態(tài)上可接受、能轉(zhuǎn)化為實際應用的水體碳增匯新技術(shù)的研發(fā)。
論文指出，MeBP作為一種旨在人為干預水體碳循環(huán)、實現(xiàn)CO2增匯的策略，具有功能可控和可拓展性、靶向性等潛在優(yōu)勢，體現(xiàn)在：
（1）可調(diào)控、可拓展和可集成性。在基于生物泵的水體增匯方法中引入施加粘土礦物環(huán)節(jié)，相當于對硅藻殼體進行“改性”，并經(jīng)由溶解抑制、團聚沉降等機制，促進有機碳的垂向輸出。通過調(diào)控該過程中粘土礦物的“配方”和添加量，可望優(yōu)化硅藻生物泵的固碳效率。此外，MeBP的應用可從海洋擴展至湖泊、大型水庫等場景；并可與微型生物碳泵、碳酸鹽泵等固碳策略或生態(tài)工程聯(lián)用，實現(xiàn)固碳增匯效果的優(yōu)化。
（2）靶向性——定向作用于硅藻等硅營養(yǎng)微生物之特性。硅營養(yǎng)的持續(xù)供給對硅藻爆發(fā)十分關(guān)鍵，而人為添加的粘土礦物結(jié)構(gòu)中的硅恰可為硅藻生長提供營養(yǎng)。硅藻生命活動所導致的粘土溶解作用，以及鋁進入殼體結(jié)構(gòu)的過程，很可能“靶向”發(fā)生于硅藻和鄰近的礦物顆粒之間。此“靶向性”特點可使基于MeBP的水體增匯工程定向促進硅藻爆發(fā)，而避免非期望浮游生物的爆發(fā)，從而提高固碳作用的可控性。
此外，粘土礦物作為輸入水體的主要無機物，廣泛參與著水體的微生物地球化學過程，與水體生態(tài)系統(tǒng)相容性良好；并且，基于MeBP策略進行海洋等水體的增匯在某種程度上與大洋降塵促進生物泵作用的自然過程類似；這為MeBP策略的實施提供了環(huán)境安全方面的保障。此外，通過優(yōu)化礦物施加配方和用量，還可發(fā)揮粘土礦物和硅藻殼體對環(huán)境毒害元素的吸附作用，在實現(xiàn)有機碳高效輸出的同時，有效降低其環(huán)境和生態(tài)風險。
礦物增效的生物泵（MeBP）示意圖
論文的信息：袁鵬*、劉冬, 礦物增效的生物泵: 基于礦物-微生物作用的水體CO2增匯策略. 科學通報，2022，67（10）：924-932。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基金等項目的資助。
