研究揭示海洋沉積物中有機(jī)碳保存的關(guān)鍵機(jī)制

近日一項(xiàng)發(fā)表于《自然-地球科學(xué)》（Nature Geoscience）新研究揭示了在海洋中保存有機(jī)碳的關(guān)鍵機(jī)制，這個(gè)知之甚少但至關(guān)重要的過程影響著地球的氣候、碳循環(huán)和化石燃料的形成。

有機(jī)碳是指植物、動(dòng)物等生物體內(nèi)的碳化合物，如碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等。在大多數(shù)環(huán)境中，有機(jī)碳會(huì)通過微生物的分解作用，轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的無機(jī)碳形式，如二氧化碳和甲烷，最終釋放到大氣中或參與其他生物地球化學(xué)循環(huán)。

有機(jī)碳通常會(huì)在大多數(shù)環(huán)境中都會(huì)分解。然而，大量的有機(jī)碳仍然保存在海洋沉積物中，這是幾十年來困擾科學(xué)家的謎團(tuán)。海洋沉積物是由海洋生物的殘骸、陸地輸入的有機(jī)物以及海洋中的無機(jī)物質(zhì)等組成的復(fù)雜混合物。在特定的環(huán)境條件下，如缺氧的沉積環(huán)境、低溫高壓的深海環(huán)境，有機(jī)碳的分解速率會(huì)大大降低，從而使得大量的有機(jī)碳得以保存在沉積物中。

隨著時(shí)間的推移，海洋沉積物會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的地質(zhì)過程，如沉積物的埋藏、壓實(shí)、加熱等。在這些過程中，保存下來的有機(jī)碳會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)變化。在一定的溫度和壓力條件下，有機(jī)碳會(huì)經(jīng)歷熱解作用，逐漸轉(zhuǎn)化為石油和天然氣等烴類化合物。這一過程通常需要數(shù)百萬年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。

當(dāng)有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為石油或天然氣并儲(chǔ)存在地下時(shí)，這些碳被有效地“鎖定”起來，暫時(shí)不會(huì)釋放到大氣中。這在一定程度上減緩了大氣中二氧化碳濃度的增加速度，對(duì)緩解氣候變化具有一定的積極作用。

由曼徹斯特大學(xué)和利茲大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)被忽視的過程，它們在保存海底有機(jī)碳方面發(fā)揮著主導(dǎo)作用：

• 吸附——礦物對(duì)碳的吸收

• 分子轉(zhuǎn)化——將較小的活性分子轉(zhuǎn)化為較大的活性較弱的分子

這種新的認(rèn)識(shí)可以為限制海洋碳排放的戰(zhàn)略提供信息，為應(yīng)對(duì)氣候變化提供有價(jià)值的工具。

曼徹斯特大學(xué)地球環(huán)境工程系PeymanBabakhani博士是該研究首席研究員，他說：“如果我們要利用或復(fù)制這些自然過程來應(yīng)對(duì)氣候變化，了解碳如何以及為何儲(chǔ)存在海洋沉積物中至關(guān)重要。該研究結(jié)果揭示了以前被忽視的機(jī)制，為碳管理提供了新的途徑?！?/p>

經(jīng)過數(shù)年的努力，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一個(gè)綜合模型，該模型考慮了比以往更廣泛的碳保存過程。這些過程包括沉積物埋藏、水解（碳在水中的分解）、吸附（礦物表面對(duì)碳的吸收）和分子轉(zhuǎn)化（形成更大、反應(yīng)性更低的分子）。

研究人員將他們的模型與從海洋沉積物中收集的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳保存效率幾乎是以前其他模型計(jì)算的三倍。

他們還發(fā)現(xiàn)，他們的計(jì)算結(jié)果與真實(shí)世界的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)更加吻合，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)海底儲(chǔ)存了多少有機(jī)碳。然后，他們將人工智能與模型結(jié)合使用，以找出哪些過程發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

Babakhani博士補(bǔ)充說：“新的數(shù)值模型、蒙特卡羅和人工智能的結(jié)合為海洋沉積物中有機(jī)物的保存提供了關(guān)鍵見解，真是令人驚嘆，因?yàn)閷?duì)此已經(jīng)爭(zhēng)論了幾十年?！彼赋?，人工智能如果應(yīng)用得當(dāng)，它就會(huì)成為一個(gè)強(qiáng)大的工具，幫助我們理解復(fù)雜的環(huán)境過程。

該研究指出動(dòng)力學(xué)吸附和轉(zhuǎn)化是控制有機(jī)碳保存的主要因素，強(qiáng)調(diào)了吸附和分子轉(zhuǎn)化在碳循環(huán)中的關(guān)鍵作用。研究得出結(jié)論，動(dòng)力學(xué)吸附和分子轉(zhuǎn)化（地質(zhì)聚合）之間的協(xié)同作用產(chǎn)生了一種礦物穿梭，其中礦物相有機(jī)碳在表面沉積物中受到保護(hù)，免受再礦化并在深處釋放。這種礦物穿梭機(jī)制解釋了為什么轉(zhuǎn)化的有機(jī)碳能夠在很長(zhǎng)的時(shí)間尺度上持續(xù)存在。該過程共同保護(hù)海洋沉積物頂層的有機(jī)物不被降解，并將其輸送到更深的地方。這種機(jī)制對(duì)全球碳循環(huán)和氣候變化具有重要意義，它有助于減少大氣中二氧化碳的濃度，從而在一定程度上緩解氣候變化。

本文僅代表資訊，供讀者參考，不代表平臺(tái)觀點(diǎn)。
編譯 | Sara
審核 | Daisy
排版 | 綠葉

參考資料略