Minerały jako klucz do uwolnienia niebieskiego dwutlenku węgla
Niebieski dwutlenek węgla – dwutlenek węgla uwięziony w ekosystemach przybrzeżnych i morskich, w tym w osadach dennych – został uznany za istotne narzędzie z punktu widzenia ograniczania skutków zmiany klimatu. Uczeni nie są jednak w stanie w pełni wyjaśnić, w jaki sposób pochodzący z niegdyś żyjących organizmów węgiel organiczny nie ulega rozkładowi przez drobnoustroje, dzięki czemu może przetrwać w osadach nawet miliony lat. „Fakt, że tej konserwacji ulega jakikolwiek węgiel organiczny, jest głęboko zastanawiający”, zauważa Caroline Peacock, profesor biogeochemii na Wydziale Nauk o Ziemi i Środowisku Uniwersytetu w Leeds w Zjednoczonym Królestwie, koordynatorka projektu MINORG. „Nasz projekt miał więc na celu ustalenie, co powoduje uwięzienie węgla w osadach i jak ważną rolę odgrywają w tym procesie minerały”. „Jest to istotne, ponieważ zmagazynowanie węgla w osadach pomaga regulować klimat Ziemi w perspektywie długoterminowej”, wyjaśnia. „W długich okresach czasu uwięzienie węgla organicznego w osadach również przyczynia się do zwiększenia ilości tlenu w atmosferze”. Ale nawet w krótszych okresach czasu „każda część węgla uwięziona w osadach jest w pewnym stopniu zablokowana przed uwolnieniem do atmosfery”.
Eksperymenty służące ocenie asocjacji minerałów
Minerały podobne do tych występujących w osadach morskich zostały zsyntetyzowane w laboratorium, co pozwoliło na zbadanie mechanizmów, w wyniku których różne rodzaje węgla występujące w środowisku morskim łączą się z minerałami. „Przyjrzeliśmy się dokładnie, w jaki sposób konkretna cząsteczka węgla przyczepia się do powierzchni minerału”, wyjaśnia Peacock. Wykazano, że minerały w osadach morskich – w szczególności te złożone z żelaza i manganu – są w stanie uwięzić węgiel organiczny i ochronić go przed rozkładem. Doświadczenia w laboratorium uwzględniały również badania i analizy ilościowe zmian temperatury, zasolenia, pH i innych parametrów. Peacock dodaje: „Chcieliśmy zrozumieć stabilność obserwowanych mechanizmów wiązania, na przykład to, czy są w stanie przetrwać okres konserwacji w osadach, a także czy są odporne na różne zmiany chemiczne lub biologiczne zachodzące podczas procesu pochłaniania przez osady”. „Najważniejszą rzeczą, jaką ustaliliśmy, jest fakt, że z punktu widzenia pochłaniania i przetrwania węgla w osadach najistotniejszy okazał się węgiel zawierający grupy karboksylowe”, zauważa. Pochodzi on z rozkładu fitoplanktonu morskiego. „Węgiel karboksylowy silnie wiąże się z minerałami, ponieważ siły przyciągania między węglem a minerałami są naprawdę ogromne i nie zmieniają się pod wpływem zmian biologicznych, prawdopodobnie nawet przez bardzo długie okresy w historii Ziemi”.
Model biogeochemiczny symulujący dno oceaniczne
W ramach projektu finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych opracowano całkowicie od podstaw model predykcyjny. „Połączyliśmy wszystkie te zarejestrowane procesy w model biogeochemiczny – rodzaj symulacji dna oceanicznego – który mogliśmy wykorzystać do zobrazowania obiegu węgla między osadami a wodą morską”, zauważa Peacock. „Nasz model pokazuje, że około 60 % całego zmagazynowanego węgla to węgiel związany z minerałami, takimi jak minerały żelaza i manganu, które we współczesnym oceanie mogą zmieniać się w zależności od miejsca, nie wspominając o długich skalach czasowych”. „Jeśli dostępność żelaza kontroluje proces pochłaniania węgla, to pochłanianie węgla będzie przebiegać w bardzo zróżnicowany sposób, ponieważ wiemy, że dostępność żelaza ulegała dramatycznym zmianom w dziejach Ziemi”, tłumaczy uczona, jednocześnie wskazując, że „ma to ogromne znaczenie dla klimatu i stężenia tlenu, a nawet ewolucji biologicznej”.
Geopolimeryzacja
Projekt wykazał również, że w określonych warunkach węgiel zmagazynowany w osadach przekształca się w wysoce niereaktywną formę węgla. „Nazywamy to geopolimeryzacją, w której stosunkowo proste odmiany węgla ulegają polimeryzacji – łączą się ze sobą, tworząc znacznie większe cząsteczki, które są bardzo stabilne”, dodaje Peacock. „Opracowaliśmy modele, które wykazały, że gdyby ten geopolimeryzowany węgiel nie był zmagazynowany, temperatury na powierzchni Ziemi prawdopodobnie byłyby zupełnie inne, jak inny byłby również poziom natlenienia atmosfery naszej planety przez wiele, wiele milionów lat. To dość znaczące odkrycie”, zaznacza. Podczas gdy projekt koncentrował się na tym, jak procesy te kształtowały planetę na przestrzeni dziejów, Peacock twierdzi, że sporym zainteresowaniem cieszy się też możliwość manipulowania tymi mechanizmami w celu zwiększenia zasobów niebieskiego dwutlenku węgla w przyszłości.
Słowa kluczowe
MINORG, niebieski dwutlenek węgla, osady denne, osad, klimat, żelazo, mangan, węgiel karboksylowy, model biogeochemiczny, dno oceaniczne, obieg węgla, ewolucja, geopolimeryzacja
