科研进展

广州地化所、深地科学卓越研究中心提出水体CO2增汇新策略——矿物增效的生物泵(Mineral-enhanced Biological Pump;MeBP)

  
为达成《巴黎协定》提出的全球气候变化之控制目标,世界主要国家正采取措施以期努力实现二氧化碳(CO2)有效减排。科技和产业界也在积极发展CO2捕集、利用和存储技术(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS;或Carbon Capture and Sequestration, CCS),例如直接捕集工业排放的CO2并将其注入深部地层进行地质封存等。
海洋是地球上最大的活跃碳库,其CO2储存量占地球总储碳量的93%。因此,海洋增汇和负排放技术近年来受到广泛关注。其思路主要是基于生物泵、微型生物碳泵、碳酸盐泵等机制或其组合,发展相应的技术方法,通过增加颗粒有机碳、自生碳酸盐等储碳物质的产量,并使其高效输出至深海埋藏,实现长时间尺度固碳。其中,生物泵作用是指浮游生物通过光合作用将大气CO2转化为颗粒有机碳,经沉降运移至深海储存。生物泵作用的规模巨大,对大气CO2含量有重要调节作用。硅藻是生物泵作用的典型微生物,其在海洋中数量庞大,贡献了约40%的全球海洋初级生产力。硅藻的光合作用效率极高;海洋硅藻通过光合作用所产生的有机碳量,与陆地热带雨林有机碳的产量持平。基于生物泵作用原理,已发展出诸如大洋施铁肥(Ocean Iron Fertilization;OIF)等旨在增加海洋碳汇的地球工程(Geoengineering)技术。
然而,尽管海洋表层水体中硅藻爆发所产生的生物硅量很大,但因壳体(硅藻的硅质骨架)有机质分解、生物硅溶解等作用,最终输出至深海的生物硅量至多仅占表层生物硅量的~3%(Treguer等,Biogeosciences,2021)。多项研究亦证明,OIF虽能促使浮游生物爆发,却不能有效提高有机碳输运至深海的效率。因此,若能发展生物泵作用调控方法、提高OIF等水体固碳策略中有机碳垂向输出效率,将对有效开展水体固碳、助力实现碳中和目标产生重要意义。

图1. 硅藻-粘土(黏土)矿物相互作用产物的微结构(展示了硅藻对粘土矿物的微生物溶解作用及其对粘土矿物结构铝的吸收;详见论文原文)

近年来,中国科学院广州地球化学研究所、深地科学卓越创新中心袁鹏研究员和刘冬特任研究员等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,有助于水体CO2增汇。
基于相关研究结果,袁鹏和刘冬提出了一种新的水体CO2增汇策略假说——“矿物增效的生物泵(Mineral-enhanced Biological Pump;MeBP)”。该策略提出,可在OIF等基于水体的地球工程或生态工程中施加粘土矿物等矿粉,通过调节矿物类型配比、调控颗粒特性,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。MeBP具有靶向性、应用可拓展性和环境友好性等潜在优势,可望单独应用或与其它水体固碳策略联用。

图2. 矿物增效的生物泵(MeBP)作用机制示意图

相关论文发表于国际SCI期刊Applied Clay Science。研究工作获得了国家高层次人才特殊支持计划领军人才项目和国家自然科学基金等项目的资助。
论文信息: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