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真菌固碳能力超乎想象

2022-03-23    来源:南方周末
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[ 导读 ]:在人类实现大气二氧化碳去除目标的途径中,植被和土壤中碳的积累是一条很有前途的途径,其中菌根共生在其中起着非常重要的作用。尽管需要从能源、运输和土地等部门共同努力来减轻气候变化的最严重影响,但毫无疑问,真菌是一种基于自然的解决方案,有可能大幅减少碳排放。
真菌固碳能力超乎想象

由于农业、森林砍伐和城市化,许多土壤真菌面临风险。人类活动和污染正在导致森林失去这些真菌碳卫士,而这些真菌的消失可能正在加速气候变化。(南方周末记者 冯飞/图)

土壤是地球上最大的陆基有机碳储存库,碳储量大约是大气的两倍。这意味着,即使土壤储碳的微小变化也可能对地球大气碳含量和全球气候产生重大影响。

所以在面对土壤固碳时,科学家考虑的问题更为复杂:有多少碳被释放出来,又有多少碳被长期封存起来,同时对土壤固碳起到关键作用的物质又是什么?2021年发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,PNAS)上的一项研究指出,土壤真菌是这一过程的主要调节者,白腐菌能够利用从木质素中捕获的碳作为碳源,研究阐明了土壤生态系统中发生的一个关键过程。

真菌固碳作用

人类消耗化石燃料后会将二氧化碳排放到大气中,大气中二氧化碳的浓度越高,地球就会越暖和。但并不是所有的二氧化碳排放都直接进入大气层,世界各地森林中的树木会在光合作用过程中“吃掉”二氧化碳,当这种情况发生时,二氧化碳气体中的碳被转化为植物生物量,并最终锁定在树干和森林土壤中。

目前全球森林大概吸收了三分之一的人类排放的二氧化碳。只要这些碳分子留在森林里,它们就不会进入大气,从而阻止它们对全球变暖的贡献。但这一固碳过程并不是树木独立完成的,每一片森林中都有一个微生物群,由各种与树木同步生长的微生物组成,它们在森林吸收二氧化碳的能力方面发挥着重要作用。

森林里的树木与许多不同的菌根真菌形成的共生关系,牢牢将碳固定在土壤中,科学家们已经了解到,一种叫做外生菌根真菌的特殊菌根真菌正在帮助树木更快地吸收二氧化碳。外生菌根真菌还可以缓解将森林土壤中的碳返回到大气中的自然过程,来增强森林将碳锁在树木和土壤中的能力。发表在PNAS上的研究是由美国国家可再生能源实验室(NREL)的科学家牵头完成的,这项基础研究表明,白腐真菌能够利用从木质素中捕获的碳作为碳源。这意味着它们可以吃掉这些化合物,并利用它们来生长。

木质素中碳含量约占生物圈中有机碳的30%。如果能将这一部分碳牢牢封存在土壤中,将会对全球碳减排产生积极的推动作用。NREL选取了自然界中最有效的木质素降解生物——白腐真菌进行研究,测试它们是否真的会消耗木质素分解产生的产物。研究检测了两种白腐真菌,通过使用基因组分析、同位素标记和系统生物学方法,确定了这些生物体将木质素衍生的芳香族化合物中的碳纳入中心代谢的能力,并绘制出该转换过程中潜在的芳香族分解代谢途径。该研究试图开辟另外一种碳封存的途径。无独有偶,2021年11月发表在《ISME通讯》(ISME Communications)上的一项研究也指出,在实验室实验中生长的富含真菌的土壤在加热时比其他土壤释放的二氧化碳要少。这侧面表明真菌对于制造土壤、将碳封存在地球上是必不可少的。

真菌和气候变化

气候变化和极端天气将是物种数量变化的主要驱动因素。比如2020年初在澳大利亚发生的火灾,改变了菌根真菌隔离碳的能力。火灾会减少真菌的数量,因为在受火灾影响的土壤中,死亡的真菌组织腐烂得更快。

2019年《自然-通讯》(Nature Communications)上的一项全球评估表明,这些担忧正在成为现实,人类的影响大大减少了植物与真菌的共生关系。植被清除影响了菌根真菌的分布。外生菌根共生关系的丧失减少了这些生态系统的土壤碳固存量。研究发现,尽管共生体消失了,但有菌根植被的生态系统在全球储存了3500亿吨碳,相比之下,无菌根植被的碳储量为290亿吨。恢复这些生态系统可以对减缓气候变化产生重大影响。

另一方面,由于农业、森林砍伐和城市化,许多土壤真菌面临风险。人类活动和污染正在导致森林失去这些真菌碳卫士,而这些真菌的消失可能正在加速气候变化。另一种类型的污染——氮污染——正在导致森林失去这些真菌,放大了二氧化碳排放的一个自然来源,并加速了气候变化。人类用大量的氮污染了世界各地的森林。这是因为燃烧化石燃料不仅会排放二氧化碳污染,还会排放一氧化二氮气体,这些气体最终会以氮污染的形式落在森林中。当这些肥料进入邻近的生态系统时,农场使用的氮肥也起到了作用。

在人类实现大气二氧化碳去除目标的途径中,植被和土壤中碳的积累是一条很有前途的途径,其中菌根共生在其中起着非常重要的作用。尽管需要从能源、运输和土地等部门共同努力来减轻气候变化的最严重影响,但毫无疑问,真菌是一种基于自然的解决方案,有可能大幅减少碳排放。因此恢复与土壤真菌形成外生菌根共生关系的原生植被,特别是在废弃的农业和贫瘠的土地上,可以帮助减轻人为造成的土壤碳流失,并改善大气中温室气体的增加。

南方周末特约撰稿 祝叶华
 
关键词: 真菌 固碳能力
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