ES&T：增强岩石风化技术提供微量金属元素促进生物产甲烷

导读

   随着人类工业生产的繁荣，许多化石能源（如煤炭，石油）被燃烧，使得大量的温室气体（如二氧化碳）在大气中累积，从而导致了全球变暖，引发了诸多的气候和环境问题。为了减少温室气体的排放，许多碳减排的政策和碳封存的技术应运而生。由于成本低廉，材料广泛，增强岩石风化技术受到了各国广泛的关注。该技术将研磨后的超基性/基性岩石投放置海岸带、农田、森林土壤等环境，通过岩石风化释放的钙，镁离子捕获周围环境中的二氧化碳，生成碳酸钙镁的沉淀，从而实现碳封存的目的。除了含有钙，镁离子外，超基性/基性岩石还含有丰富的微量金属元素（如铁、镍、钴），这些微量金属元素随着岩石的风化同样会在周围环境中累积，从而影响微生物的生长和代谢过程。产甲烷古菌广泛分布在厌氧环境中，参与有机质的降解，调控甲烷气体的生成，在全球碳循环中发挥着重要的作用。

   现代基因组的研究结果表明，产甲烷代谢途径需要多种金属酶（铁、镍、钴）的参与和调控，因此微量金属元素对于产甲烷古菌的生长和代谢有着不可忽视的影响。

   为了评估增强岩石风化技术所释放的微量金属元素产生的生态效应，课题组水资源与环境学院博士生张冬磊在地球科学与资源学院曾强副教授和董海良教授的指导下，选取了增强岩石风化技术中常用的橄榄岩和玄武岩，探究其对一株模式的产甲烷古菌 Methanosarcina acetivorans C2A 生长和代谢的影响。研究取得如下认识：

结论

（1）在缺乏微量金属元素的情况下，橄榄岩和玄武岩能够明显地促进产甲烷古菌的生长和代谢而花岗岩对于产甲烷古菌的生长和代谢却没有显著的影响（图1）。

图1 三种岩石对产甲烷古菌生长和代谢的影响

（2）加入橄榄岩后，产甲烷古菌甲烷代谢途径中的许多含金属蛋白显著上调，进一步表明橄榄岩可以通过风化释放的微量金属元素促进产甲烷古菌的生长和代谢（图2）。

图2 甲基型产甲烷代谢途径及相关蛋白的表达

（3）结合前人的研究及本实验的结果，我们发现在相同时间内橄榄岩促进产甲烷古菌释放的甲烷含量要多于其捕获的二氧化碳含量（表1），可能削弱增强岩石风化技术的碳封存效果。

表1 三种岩石的溶解速率及其对二氧化碳的捕获效率和促进甲烷的生成效率

意义

   本研究强调了增强岩石风化技术释放的微量金属元素所引发的生态效应，揭示了该技术对产甲烷古菌生长和代谢的促进作用，有助于系统地评估增强岩石风化技术对碳封存的效果。

   上述研究成果以 Enhanced Rock Weathering as a Source of Metals to Promote Methanogenesis and Counteract CO₂ Sequestration 为题发表在国际权威期刊 Environmental Science & Technology 上。

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