廣州地化所、深地科學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）
文章來源：廣州地球化學研究所 | 發布時間：2021-11-16
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為達成《巴黎協定》提出的全球氣候變化之控制目標，世界主要國家正采取措施以期努力實現二氧化碳（CO2）有效減排。科技和產業界也在積極發展CO2捕集、利用和存儲技術（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS；或Carbon Capture and Sequestration, CCS），例如直接捕集工業排放的CO2并將其注入深部地層進行地質封存等。
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，海洋增匯和負排放技術近年來受到廣泛關注。其思路主要是基于生物泵、微型生物碳泵、碳酸鹽泵等機制或其組合，發展相應的技術方法，通過增加顆粒有機碳、自生碳酸鹽等儲碳物質的產量，并使其高效輸出至深海埋藏，實現長時間尺度固碳。其中，生物泵作用是指浮游生物通過光合作用將大氣CO2轉化為顆粒有機碳，經沉降運移至深海儲存。生物泵作用的規模巨大，對大氣CO2含量有重要調節作用。硅藻是生物泵作用的典型微生物，其在海洋中數量龐大，貢獻了約40%的全球海洋初級生產力。硅藻的光合作用效率極高；海洋硅藻通過光合作用所產生的有機碳量，與陸地熱帶雨林有機碳的產量持平。基于生物泵作用原理，已發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。
然而，盡管海洋表層水體中硅藻爆發所產生的生物硅量很大，但因殼體（硅藻的硅質骨架）有機質分解、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，卻不能有效提高有機碳輸運至深海的效率。因此，若能發展生物泵作用調控方法、提高OIF等水體固碳策略中有機碳垂向輸出效率，將對有效開展水體固碳、助力實現碳中和目標產生重要意義。
圖1. 硅藻-粘土（黏土）礦物相互作用產物的微結構（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構鋁的吸收；詳見論文原文）
近年來，中國科學院廣州地球化學研究所、深地科學卓越創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的微生物-元素-粘土（黏土）礦物相互作用開展了系列研究，發現硅藻生物硅在水中的沉降受環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；硅藻等微生物易與粘土礦物顆粒發生團聚。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，有助于水體CO2增匯。
基于相關研究結果，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工程中施加粘土礦物等礦粉，通過調節礦物類型配比、調控顆粒特性，提升微生物有機質-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，實現水體CO2增匯。MeBP具有靶向性、應用可拓展性和環境友好性等潛在優勢，可望單獨應用或與其它水體固碳策略聯用。
圖2. 礦物增效的生物泵（MeBP）作用機制示意圖
相關論文發表于國際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軍人才項目和國家自然科學基金等項目的資助。
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
