Уголь от лесных пожаров может помочь в борьбе с выбросами метана

Графический реферат. Автор: Environmental Science & Technology (2025). DOI: 10.1021/acs.est.5c05709

Трудно представить, что от лесных пожаров может быть что-то положительное. Они уничтожают дома, уносят жизни, стирают воспоминания, сравнивают с землёй города и разрушают наши леса и дикие земли. Но профессор Университета Делавэра обнаружил, что в остатках после пожаров есть нечто ценное для изучения.

Обугленные остатки, остающиеся после лесных пожаров, таких как те, что сейчас бушуют в Колорадо, Канаде и национальном парке Гранд-Каньон в Аризоне, известны как wildfire char (уголь от лесных пожаров). Пей Чиу, профессор гражданского, строительного и экологического инжиниринга в Университете Делавэра, изучает этот уголь и то, как он может оказаться полезным для сокращения выбросов метана — мощного газа, удерживающего тепло в атмосфере. Выбросы метана происходят из множества различных источников, от навоза домашнего скота до свалок и очистных сооружений.

Эта работа также питает его исследования биоугля — искусственного угля, созданного из остатков древесной щепы, рисовой шелухи, кукурузной соломы и другой сельскохозяйственной биомассы, — который можно использовать для улучшения почвы, очистки ливневых вод и в других областях.

Ниже Чиу делится пятью важными фактами об угле — как природном (от wildfires), так и искусственном (биоуголь). Он также обсуждает недавно опубликованное исследование его команды в журнале Environmental Science and Technology, подробно описывающее потенциал угля от лесных пожаров в подавлении метана, производимого микроорганизмами. Соавторами статьи стали аспирант UD Дживон Чой и Данхуи Синь, бывшая аспирантка лаборатории Чиу, ныне работающая в Southern California Coastal Water Research Project.

Что такое уголь и где его находят?

Уголь — это богатый углеродом материал, образующийся при высокой температуре. В природе уголь образуется в результате лесных пожаров (т.е., wildfire char). Биоуголь, или искусственный уголь, можно производить в лаборатории или в промышленных масштабах путём нагревания избыточной биомассы, такой как древесная щепа, остатки кукурузных стеблей или других растительных остатков, при высоких температурах в среде с ограниченным содержанием кислорода, с помощью процесса, называемого пиролизом. В сельском хозяйстве биоуголь обычно используется в качестве улучшителя почвы для повышения её качества и продуктивности. Его также можно включать в компостные и фильтрационные системы, среди прочего.

Почему вы изучаете уголь?

Несколько лет назад мы обнаружили, что нагревание растительной биомассы с помощью пиролиза может создать в биоугле большую способность обратимо принимать и отдавать электроны. Эта способность, называемая электронной ёмкостью, играет ключевую роль в биологическом метаболизме. Когда вы бежите, например, электроны обмениваются между молекулами сахара в организме и кислородом, которым вы дышите, чтобы создать энергию. Если вам нужна энергия быстрее, чем вы можете поглотить кислород, организм вместо этого ферментирует сахара для получения энергии.

Микробы делают то же самое. Когда микробам нечем дышать (нет кислорода для обмена электронами), их место занимают ферментирующие микробы. Это часто приводит к появлению нежелательных продуктов, таких как метан, на свалках, у крупного рогатого скота, на водно-болотных угодьях, рисовых полях, в отходах пищеварения, болотах и других бедных кислородом средах.

Наша недавняя работа показывает, что весь уголь может служить кислородом для дыхания и роста микробов, позволяя «хорошим» бактериям вытеснять ферментирующих микробов, называемых метаногенами, которые производят более 50% глобального метана, и подавляя образование метана в процессе.

Какое отношение это имеет к лесным пожарам?

Уголь от лесных пожаров является частью глобального углеродного цикла на протяжении миллионов лет. Мы предположили, что микроорганизмы, должно быть, развили способность метаболизировать или перерабатывать уголь. Если это так, то эта новая биологическая роль угля будет иметь множество важных последствий и применений в биогеохимии, глобальном климате, судьбе загрязнителей и очистке окружающей среды. Хотя эта польза никогда не перевесит пагубные последствия лесных пожаров, как для человека, так и для окружающей среды, это то, чему мы можем научиться и что можем использовать в наших усилиях по смягчению воздействия парниковых газов.

Что показала ваша последняя работа?

Моя группа недавно опубликовала статью, показывающую, что весь уголь обладает значительной электронной ёмкостью (ESC). Например, уголь от лесных пожаров и биоуголь могут хранить несколько миллиардов триллионов электронов в одном грамме (около четверти чайной ложки) угля. Сельское хозяйство в Соединенных Штатах ежегодно производит примерно 140 миллионов сухих тонн растительных остатков.

Кукурузная солома и пшеничная солома являются основными источниками. Кроме того, лесное хозяйство ежегодно производит от 60 до 70 миллионов сухих тонн биомассы. Так что, это огромная ёмкость для хранения. Между тем, обычные почвенные микробы могут расти, дыша углём для получения энергии, — то, что они, вероятно, делали целую вечность без нашего ведома.

Почему это важно?

Весь уголь от лесных пожаров и растительный биоуголь могут подавлять метан. Поддерживая рост бактерий, дышащих углём, уголь от пожаров позволяет этим микробам вытеснять метаногены. Это важно, потому что метаногены производят более 50% глобального метана сегодня, а это мощный парниковый газ, который в 85 раз сильнее углекислого газа и способствует более чем 30% текущего потепления.

Привлечение микробов, способных дышать углём, чтобы помочь нам бороться с этой проблемой, является как умным, так и устойчивым решением — поскольку эти микробы распространены в природе и могут использовать один и тот же уголь снова и снова для подавления производства метана. Микробы, способные использовать уголь для получения энергии, могут делать и другие вещи, например, предотвращать попадание мышьяка в питьевую воду и продовольственные культуры, а также удалять загрязнители, такие как нитраты и перхлораты, из ливневых и грунтовых вод.

Что поддерживает вашу страсть к этому исследованию?

Что действительно мотивирует меня, так это наука. Уголь в совокупности представляет собой огромное перезаряжаемое и биодоступное хранилище почти в триллион-триллион-триллион электронов, которое мы вводим в глобальный биогеохимический цикл каждый год. Никогда не слышали о триллионе-триллионе-триллионе? Это единица с 36 нулями. Мы не знали этого до сих пор, но микробы ели и дышали углём сотни миллионов лет. Но как? Как они едят или дышат куском твёрдого вещества — и снова, и снова?

Глобально исследовательское сообщество долгое время сосредотачивалось на сокращении выбросов углекислого газа из окружающей среды. Углекислый газ остаётся в окружающей среде от 50 до 200 лет, поэтому, если сегодняшние решения окажутся успешными, выиграют мои пра-пра-внуки. Метан в 85 раз мощнее углекислого газа, а срок его жизни в окружающей среде составляет всего 11,8 лет. Если мы сможем найти способы сократить количество метана в окружающей среде, я могу дожить до того, чтобы увидеть эффект при своей жизни.

Больше информации: Jiwon Choi et al, A New Climate Impact of Wildfire Chars: Suppression of Biogenic Methane Production Over Repeated Redox Cycles, Environmental Science & Technology (2025). DOI: 10.1021/acs.est.5c05709

Источник: University of Delaware