矿物碳泵：地球系统碳存储与氧循环的引擎
矿物碳泵：地球系统碳存储与氧循环的引擎
矿物碳泵通过矿物与有机碳的相互作用，在地球系统内有效提升有机碳的存储与氧循环。研究表明，这一机制对地球气候演变、碳循环以及生命的起源和演化具有重要影响。本文探讨了陆地和海洋环境中矿物-有机碳交互的多样性及其对碳储存的贡献，展现了矿物碳泵在应对气候变化中的潜力。
图1 矿物-有机碳相互作用（矿物碳泵）存在于地球系统的多种环境中
无处不在的界面反应
在陆地和海洋环境中，矿物与有机碳（OC, organic carbon）的接触几乎是不可避免的，它们之间的界面反应会自然发生。带电羟基或永久电荷的粘土矿物和有机碳中的官能团（如羧基、酚基和胺基）容易发生结合，形成稳定的结构，从而保护OC免受微生物降解。
铁氧化物的关键作用
粘土矿物与有机碳的界面反应中，铁氧化物发挥了关键作用。虽然铁氧化物的含量比粘土矿物低得多，但由于其具有较大的表面积和高度活跃的表面特性，它们能有效保护OC。研究发现，全球高达80%的OC因与反应性铁结合得以保存。
陆地与海洋的协作
陆地环境中，粘土矿物通过与铁氧化物的协作，可在河流搬运和沉积过程中减少有机碳的损失，并有效保存有机碳。在海洋环境中，铁氧化物与粘土矿物结合后还能与藻类聚合，加速有机碳的沉降和埋藏，与海洋微生物碳泵共同促进有机碳的封存。
促进海洋碳封存
在海洋沉积物中，铁和锰氧化物能够将活性有机碳转化为更复杂且难以降解的形式，从而每年封存约4.1兆吨碳。海洋内部的研究也表明，胶体铁氧化物与有机碳分子的结合通过“胶体分流”机制提升OC的保存，而无需增加海洋初级生产力。
地球演化的推动者
MnCP (Mineral carbon pump)的作用不仅限于碳存储，还可能与地球生物化学演化和生命起源密切相关。在海底热液沉积环境中，活性矿物能催化有机分子的聚合，形成生命基本分子。这种保护机制也促进了早期地球大气中氧气的积累，为地球环境演化和生命起源提供了重要条件。
总结与展望
未来应加强对矿物碳泵在不同环境系统中的研究，量化其效率与影响力。这一机制有望成为实现碳中和和气候变化缓解的重要途径，为全球碳管理带来新的可能性。
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation 第六卷第一期发表的Commentary文章“Mineral carbon pump in the Earth system” (投稿: 2024-04-25；接收: 2024-11-15；在线刊出: 2025-01-06）。
DOI：10.1016/j.xinn.2024.100737
引用格式：Xiao K., Zhao M., Moore O., et al. (2024). Mineral carbon pump in the Earth system. The innovation6: 100737.