Trade-off between adsorption capacity and binding strength regulates carbon stabilization in mineral-associated organic matter

吸着容量と結合強度のトレードオフが、鉱物と結合する土壌有機炭素の安定化を規定する

Sun, R.; 阿部 有希子; 安藤 麻里子  ; 小嵐 淳   

Sun, R.; Abe, Yukiko; Atarashi-Andoh, Mariko; Koarashi, Jun

鉱物は壌炭素貯留において重要な役割を果たしているが、鉱物と土壌有機炭素の結合が(mineral-associated organic matter; MAOM)が微生物分解に抵抗する機構は解明されていない。本研究では、非晶質アロフェンと結晶性カオリナイトに土壌有機物の代表的な分子を吸着させ、熱力学解析および表面解析によりその親和性(結合強度)を定量するとともに、好気培養を用いて微生物分解対抗性を評価した。その結果、非晶質アロフェンは比表面積が大きいことに起因して多いOM吸着能を示した一方で、結晶性カオリナイトは内圏錯体によりOMと強く結合するMAOMになったことが分かった。さらに、ラングミュア親和定数(KL)が高い条件ほどMAOMの鉱化率は低下し、この逆相関は、鉱物に吸着したOM量(Qe)との相関よりも顕著であった。これらの知見は、MAOMの炭素貯留動態が吸着容量と結合強度のバランスによって制御されることを示唆する。すなわち、結合強度が高いほどMAOMの微生物抵抗性は増強され、他方で鉱物表面吸着サイトの豊かさが微生物に得られるMAOM量を規定する。本研究は、MAOM循環を規定する化学的相互作用の重要性を強調するとともに、MAOMの長期間持続性に疑義を問い直す。

The role of minerals in soil carbon sequestration has been increasingly recognized. However, the mechanism by which mineral-associated organic matter (MAOM) resists microbial decomposition remains an open question. We prepared MAOM on amorphous allophane and crystalline kaolinite with different organic matter (OM) proxies, characterized the affinity strength of these associations using isothermal titration calorimetry and X-ray photoelectron spectroscopy, and quantified their microbial mineralization through aerobic incubation. We found that amorphous allophane displayed greater OM adsorption capacity due to its higher specific surface area; in contrast, crystalline kaolinite exhibited stronger binding with OM, consistent with its predominant inner-sphere complexation. Furthermore, lower MAOM mineralization was found corresponding to higher Langmuir affinity. This inverse relationship was more pronounced than the correlation with the amount of OM adsorbed by minerals. These findings suggest that the overall MAOM stability is controlled by a balance between binding strength and adsorption capacity. Namely, stronger binding affinity enhances microbial resistance of MAOM, while the abundance of mineral sites determines the amount of MAOM accessible for microbial decomposition. This study presents a novel mechanistic understanding of the MAOM dynamics and refines the prevailing perspective on MAOM persistence.