Η κατανόηση της κλιματικής σημασίας του CO₂ απαιτεί όχι μόνο ακριβείς μετρήσεις των ποσοτήτων της ατμόσφαιρας, αλλά και συστηματική «ανάγνωση» και κυρίως μελέτη των δεξαμενών και των ροών άνθρακα, μέσα στις οποίες το ατμοσφαιρικό CO₂ αποτελεί ένα δυναμικό, αλλά ποσοτικά περιορισμένο τμήμα ενός πολύ ευρύτερου γεωβιοχημικού συστήματος
Για δεκαετίες, η επιστημονική αλλά και η δημόσια συζήτηση γύρω από το διοξείδιο του άνθρακα επικεντρώνεται σχεδόν αποκλειστικά στη μετρήσιμη, ανθρωπογενώς επιταχυνόμενη αύξηση της συγκέντρωσής του στην ατμόσφαιρα. Η εστίαση αυτή βασίζεται σε αξιόπιστες και υψηλής ανάλυσης χρονοσειρές δεδομένων από μετρήσεις, οι οποίες αποτυπώνουν με ακρίβεια τη σύγχρονη δυναμική του ατμοσφαιρικού διοξειδίου του άνθρακα (CO₂).
Ωστόσο, η παρουσίαση αυτή παραμένει συχνά αποκομμένη από μια ταυτόχρονη ποσοτική σύγκριση με τις υπόλοιπες δεξαμενές άνθρακα του πλανήτη, ενεργές και αδρανείς, ταχείες ή/και γεωλογικών ρυθμών που παρουσιάζουν πολλά προβλήματα και στις μεθοδολογίες μέτρησης αλλά και εκτιμήσεων. Αποτέλεσμα είναι να αναδεικνύεται το ατμοσφαιρικό CO₂ ως ένας σχεδόν αυτόνομος δείκτης, χωρίς να εντάσσεται επαρκώς στο ευρύτερο πλαίσιο του ολικού κύκλου του άνθρακα, στο οποίο τα εδάφη, η υδρόσφαιρα, οι στερεοί, υγροί και αέριοι υδρογονάνθρακες και κυρίως τα ανθρακικά πετρώματα της λιθόσφαιρας φιλοξενούν ποσότητες άνθρακα που υπερβαίνουν κατά πολλές τάξεις μεγέθους το ατμοσφαιρικό απόθεμα. Η κατανόηση της κλιματικής σημασίας του CO₂ απαιτεί επομένως όχι μόνο ακριβείς μετρήσεις των ποσοτήτων της ατμόσφαιρας, αλλά και συστηματική «ανάγνωση» και κυρίως μελέτη των δεξαμενών και των ροών άνθρακα, μέσα στις οποίες το ατμοσφαιρικό CO₂ αποτελεί ένα δυναμικό, αλλά ποσοτικά περιορισμένο τμήμα ενός πολύ ευρύτερου γεωβιοχημικού συστήματος. Ως παράδειγμα θα περιγραφεί ο ρόλος των ριζολίθων και των calcrete (ασβεστιτικές κρούστες) στον κύκλο του CO₂.
Στις παγκόσμιες αποτιμήσεις του κύκλου του άνθρακα, οι ποσότητες εκφράζονται συνήθως σε petagrams άνθρακα (Pg C), μονάδα που επιτρέπει τη σύγκριση δεξαμενών πολύ διαφορετικής κλίμακας. Ένα petagram άνθρακα (1 Pg C) αντιστοιχεί σε 10¹⁵ γραμμάρια άνθρακα, δηλαδή σε 10¹² χιλιόγραμμα ή, ισοδύναμα, σε 10⁹ τόνους άνθρακα. Με άλλα λόγια, κάθε Pg C αντιστοιχεί σε ένα δισεκατομμύριο τόνους άνθρακα. Με αυτή τη μετατροπή γίνεται σαφές το σχετικό μέγεθος των κύριων δεξαμενών του γήινου συστήματος [1].
Εικόνα 1: Ο παγκόσμιος κύκλος του άνθρακα, από [1]
Η ατμόσφαιρα περιέχει σήμερα περίπου 890 Pg C, δηλαδή 890 δισεκατομμύρια τόνους άνθρακα. Αυτή η δεξαμενή, παρότι βρίσκεται στο επίκεντρο της κλιματικής συζήτησης λόγω της ταχείας αύξησής της, αποτελεί μόνο ένα μικρό κλάσμα του συνολικού άνθρακα που υπάρχει στον πλανήτη μας. Ο οργανικός άνθρακας του εδάφους, εκφραζόμενος ως ολικός οργανικός άνθρακας (Total Organic Carbon – TOC) ή οργανικός άνθρακας εδάφους (Soil Organic Carbon – SOC), αποτελεί μία από τις μεγαλύτερες ενεργές δεξαμενές άνθρακα στην ξηρά. Ωστόσο, οι εκτιμήσεις του εδαφικού οργανικού άνθρακα εμφανίζουν σημαντική αβεβαιότητα, που κυμαίνεται από 504 έως 3000 Pg C σε διάφορες παγκόσμιες αξιολογήσεις, γεγονός που οφείλεται στην τεράστια μεταβλητότητα του SOC και στις διαφορετικές μεθόδους υπολογισμού [2].
Ένα μικρό αλλά λειτουργικά κρίσιμο κλάσμα του SOC είναι ο διαλυμένος οργανικός άνθρακας (Dissolved Organic Carbon – DOC). Ο DOC προκύπτει από τη διάλυση, την έκπλυση και τη μικροβιακή αποδόμηση της στερεής οργανικής ύλης και βρίσκεται στο εδαφικό διάλυμα. Αν και αντιπροσωπεύει μόλις ~0,5–1% του SOC, το παγκόσμιο απόθεμά του στο ανώτερο τμήμα του εδάφους (0–30 cm), εκτιμάται σε περίπου 13–15 Pg C, δηλαδή 13–15 δισεκατομμύρια τόνους άνθρακα. Ο DOC αποτελεί το άμεσο μεταβολικό υπόστρωμα των μικροοργανισμών και ρυθμίζει τις ταχείες βιογεωχημικές διεργασίες στη ριζόσφαιρα. Η μικροβιακή κατανάλωση του DOC οδηγεί σε παραγωγή CO₂, σε μεταβολές του pH και της αλκαλικότητας και τελικά στην αύξηση του διαλυμένου ανόργανου άνθρακα (Dissolved Inorganic Carbon – DIC). Αν και το παγκόσμιο απόθεμα DIC στα εδάφη δεν έχει αποτιμηθεί με ακρίβεια λόγω έντονης χωρικής και χρονικής μεταβλητότητας, η σημασία του αναδεικνύεται από τις παγκόσμιες ροές: οι ποτάμιες απορροές μεταφέρουν προς τους ωκεανούς περίπου 0,4 Pg C ετησίως ως DIC, υπογραμμίζοντας τον κυρίαρχο ρόλο του ανόργανου άνθρακα στις υδρογεωχημικές διεργασίες [3].
Η υδρόσφαιρα και ειδικότερα οι ωκεανοί φιλοξενούν τη μεγαλύτερη ενεργή δεξαμενή ανόργανου άνθρακα του πλανήτη, με περίπου 38.000 Pg C ως διαλυμένο ανόργανο άνθρακα, δηλαδή περίπου 38 τρισεκατομμύρια τόνους άνθρακα, καθώς και επιπλέον ~700 Pg C ως διαλυμένη οργανική ύλη. Οι ωκεανοί φιλοξενούν ποσότητα άνθρακα 45 φορές μεγαλύτερη από αυτή της ατμόσφαιρας, καθιστώντας την υδρόσφαιρα τον κυρίαρχο ρυθμιστή του ατμοσφαιρικού CO₂ σε χρονικές κλίμακες δεκαετιών έως αιώνων [1,4].
Στις παγκόσμιες εκτιμήσεις των «fossil fuel resources», του συνολικού δυναμικού άνθρακα που είναι αποθηκευμένο σε ορυκτά καύσιμα, ανεξαρτήτως του εάν είναι σήμερα τεχνικά ή οικονομικά απολήψιμοι, εκτιμάται σε ~4.500–7.000 Pg C, ενώ μια πρόσθετη και υψηλής αβεβαιότητας δεξαμενή άνθρακα σχετίζεται με τους υδρίτες μεθανίου, με εκτιμήσεις που κυμαίνονται από ~1.000 έως ~3.000 Pg C, και παλαιότερες ανώτερες αποτιμήσεις έως ~10.000 Pg C [5,6].
Εικόνα 2: Ο παγκόσμιος κύκλος του άνθρακα, από [4]
Και ενώ γίνονται μετρήσεις του ατμοσφαιρικού CO₂, μέσα στο σύστημα που θρέφει τον πολιτισμό μας, τα εδάφη, στη ζώνη της ριζόσφαιρας, όπου συνυπάρχουν οι ρίζες των φυτών με τα εδάφη, τα μικροβιακά οικοσυστήματα και τα εδαφικά διαλύματα, αναπτύσσεται μια διεργασία κομβικής σημασίας για τον παγκόσμιο κύκλο του άνθρακα: η μικροβιακά επαγόμενη κατακρήμνιση ανθρακικού ασβεστίου (Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation – MICP). Η διεργασία αυτή εντάσσεται σε ένα σύστημα δεξαμενώνκαι ροών άνθρακα που γεφυρώνει τη βιόσφαιρα με τη λιθόσφαιρα και μετατρέπει ταχέως ανακυκλούμενες μορφές άνθρακα σε μακροχρόνιες γεωλογικές αποθήκες. Η διεργασία αυτή συνδέει άμεσα τη βιόσφαιρα με τη λιθόσφαιρα και τον κύκλο του CO₂, μετατρέποντας τον διαλυμένο ανόργανο άνθρακα του εδαφικού συστήματος (CO₂–HCO₃⁻–CO₃²⁻) σε σταθερή ορυκτή μορφή, κυρίως ασβεστίτη ή αραγωνίτη. Αυτή η μετατροπή επιτυγχάνεται από τους μικροοργανισμούς μέσω διαφορετικών μεταβολικών μονοπατιών: ουρεόλυσης, αμμωνιοποίησης, απονιτροποίησης, αναγωγής θειικών, αναερόβιας οξείδωσης σουλφιδίων και μεθανίου, τα οποία αυξάνουν την τιμή τοπικά στο pH και οδηγούν σε υπερκορεσμό των εδαφικών διαλυμάτων σε ανθρακικό ασβέστιο (CaCO₃). Το αποτέλεσμα είναι η κατακρήμνιση του ανθρακικού ασβεστίου σύμφωνα με τη θεμελιώδη γεωχημική αντίδραση: Ca²⁺ + CO₃²⁻ + H₂O → CaCO₃↓. Μέσω αυτής της διεργασίας, σημαντικές ποσότητες ανόργανου άνθρακα παγιδεύονται σε στερεή μορφή, συμβάλλοντας στη μακροχρόνια ρύθμιση του παγκόσμιου κύκλου του άνθρακα. Έτσι λοιπόν ο DOC συνιστά την έμμεση και ο DIC αποτελεί την άμεση πηγή άνθρακα για τη μικροβιακά επαγόμενη κατακρήμνιση ανθρακικού ασβεστίου και τον σχηματισμό εδαφογενετικών ανθρακικών ορυκτών [7].
Η επαναλαμβανόμενη αλληλουχία SOC → DOC → DIC → CaCO₃ οδηγεί στη δημιουργία συνεκτικών εδαφογενετικών ανθρακικών οριζόντων, γνωστών ως calcrete, οι οποίοι εντάσσονται στη δεξαμενή του εδαφικού ανόργανου άνθρακα (Soil Inorganic Carbon – SIC). Το συνολικό απόθεμα SIC εκτιμάται ότι υπερβαίνει τα 2.000 Pg C, δηλαδή περισσότερους από 2 τρισεκατομμύρια τόνους άνθρακα, καθιστώντας τα εδάφη μακροχρόνιες γεωλογικές δεξαμενές ανόργανου άνθρακα [8].Σε αυτό το πλαίσιο, οι ριζόλιθοι, οι απολιθωμένες ριζικές δομές, αποκτούν κεντρικό ρόλο. Η ριζόσφαιρα αποτελεί ζώνη έντονης βιογεωχημικής δραστηριότητας: οι ρίζες, μέσω της αναπνοής και της έκκρισης οργανικών οξέων, τροποποιούν τη χημεία του περιβάλλοντος εδάφους και αλληλεπιδρούν με τις μικροβιακές εδαφικές κοινότητες. Οι μικροοργανισμοί, με τη σειρά τους, ρυθμίζουν τις ισορροπίες του συστήματος CO₂–HCO₃⁻–CO₃²⁻, ενισχύουν την αλκαλικότητα, ευνοούν την κατακρήμνιση ανθρακικού ασβεστίου γύρω από τις ζωντανές ρίζες ή στα κενά που αυτές αφήνουν μετά την αποσύνθεσή τους που οδηγεί στη δημιουργία ριζολίθων. Έτσι, οι ριζόλιθοι καταγράφουν και αποτυπώνουν άμεσα τη συνεργασία φυτών και μικροβίων στη δημιουργία εδαφογενετικών ανθρακικών ορυκτών, κυρίως ασβεστίτη. Η συστηματική επανάληψη αυτών των διεργασιών σε βάθος χρόνου οδηγεί στη δημιουργία συνεκτικών ασβεστιτικής σύστασης οριζόντων, των calcrete. Σε μικροκλίμακα, η κατακρήμνιση ξεκινά ως λεπτή επένδυση ριζικών επιφανειών και μικροπόρων. Σε μεσοκλίμακα, οι επαναλαμβανόμενοι κύκλοι υγρασίας–ξηρασίας και η συνεχιζόμενη βιολογική δραστηριότητα προκαλούν τη συνένωση επιμέρους ανθρακικών σωμάτων. Σε μακροκλίμακα, σχηματίζονται συνεκτικοί ορίζοντες calcrete, όπου οι αρχικές ριζικές δομές παραμένουν ορατές ως ριζόλιθοι, δηλαδή ως σωληνοειδείς αγωγοί ή ζώνες πλήρωσης πόρων. Οι ριζόλιθοι, επομένως, μπορούν να θεωρηθούν δομικοί πυρήνες γύρω και πάνω στους οποίους αναπτύσσονται οι calcrete. Η σημασία αυτού του συστήματος για τον κύκλο του CO₂ είναι καθοριστική. Τα εδαφικά ανθρακικά ορυκτά αποτελούν μία από τις μεγαλύτερες χερσαίες δεξαμενές ανόργανου άνθρακα, με αποθέματα που υπερβαίνουν εκείνα της ατμόσφαιρας. Μέσω των ριζολίθων και των calcrete, ο άνθρακας παγιδεύεται σε σταθερή ορυκτή μορφή για χιλιάδες έως εκατομμύρια χρόνια, καθιστώντας τα συστήματα αυτά μακροχρόνιες γεωλογικές δεξαμενές ανόργανου άνθρακα. Κρίσιμο παραμένει το ζήτημα της προέλευσης του άνθρακα που ενσωματώνεται στα ανθρακικά ορυκτά. Αν και σημαντικό ποσοστό του DIC προκύπτει από τη μικροβιακή αποδόμηση της οργανικής ύλης και την αναπνοή των ριζών, αυξανόμενες ενδείξεις δείχνουν ότι το ατμοσφαιρικό CO₂ ενσωματώνεται έμμεσα στο εδαφικό σύστημα μέσω της ανταλλαγής εδάφους–ατμόσφαιρας και της διάλυσής του στην εδαφική ρευστή φάση. Η διάκριση μεταξύ μικροβιακά επαγόμενης ή βιολογικά επηρεασμένης κατακρήμνισης και καθαρά αβιογενούς κατακρήμνισης, που μπορεί επίσης να προκύψει από εξάτμιση, διάχυση του CO₂ ή εξατμισοδιαπνοή, παραμένει θεμελιώδης για την ερμηνεία των calcrete ως παλαιοπεριβαλλοντικών και παλαιοκλιματικών δεικτών [9,10].
Εικόνα 3: Calcrete που περιέχει σύμπλεγμα απολιθωμένων ριζών (ριζολίθων) στο Απολιθωμένο δάσος ριζολίθων στον Σταυρό Ακρωτηρίου στα Χανιά
Ωστόσο, οι εδαφογενετικές αυτές δεξαμενές αποτελούν μόνο ένα μικρό τμήμα της συνολικής λιθόσφαιρας. Τα ανθρακικά πετρώματα (ασβεστόλιθοι, δολομίτες και συναφή ορυκτά) αντιπροσωπεύουν τη μεγαλύτερη δεξαμενή άνθρακα στη Γη. Οι παγκόσμιες εκτιμήσεις συγκλίνουν στο ότι τα ανθρακικά πετρώματα περιέχουν της τάξης των 6 × 10⁷ Pg C, δηλαδή περίπου 6 × 10¹⁶ τόνους άνθρακα, ποσότητα που υπερβαίνει κατά πολλές τάξεις μεγέθους το σύνολο του άνθρακα της ατμόσφαιρας, των ωκεανών και των εδαφών μαζί [5]. Σε αυτή την κλίμακα, οι ριζόλιθοι και οι calcrete μπορεί να θεωρηθούν ως ενεργές ζώνες μετάβασης, μέσω των οποίων ο άνθρακας μεταφέρεται από τις ταχέως ανακυκλούμενες βιογεωχημικές δεξαμενές προς τη μακροχρόνια λιθοσφαιρική αποθήκευση.
Η αναγνώριση της μικροβιακής συνιστώσας γεφυρώνει τις φυσικές γεωλογικές διεργασίες με τις σύγχρονες τεχνολογικές εφαρμογές. Οι ίδιες διεργασίες που δημιούργησαν φυσικά ριζολιθικά συστήματα και calcrete αξιοποιούνται σήμερα στη βιοτσιμεντοποίηση εδαφών και στη σταθεροποίηση πορωδών μέσων [7]. Μέσω της ουρεόλυσης, μικροοργανισμοί παράγουν ανθρακικά ιόντα που δεσμεύουν ασβέστιο και δημιουργούν ορυκτές «γέφυρες» μεταξύ των κόκκων του εδάφους, αυξάνοντας την αντοχή και μειώνοντας τη διαπερατότητα. Οι ριζόλιθοι και οι φυσικές ανθρακικές κρούστες (οι calcrete) λειτουργούν έτσι ως φυσικά ανάλογα των σύγχρονων εφαρμογών της βιο-επαγόμενης καθίζησης ανθρακικού ασβεστίου, της MICP.
Ανακεφαλαιώνοντας, το σύστημα ριζόλιθοι–calcrete–κύκλος CO₂ συνιστά ένα ενιαίο, συνεκτικό βιογεωχημικό σύστημα. Ο SOC λειτουργεί ως η μεγάλη βιολογική δεξαμενή, ο DOC ως το άμεσο μεταβολικό υπόστρωμα, ο DIC ως ο φορέας ορυκτοποίησης και οι ριζόλιθοι/calcrete ως το πρώτο σταθερό γεωλογικό αποτύπωμα μιας διεργασίας που, σε γεωλογικούς χρόνους, καταλήγει στα ανθρακικά πετρώματα της λιθόσφαιρας. Δεν πρόκειται απλώς για μορφές ή αποθέσεις, αλλά για λειτουργικά στοιχεία ενός φυσικού μηχανισμού όπου η ζωή, το έδαφος και το πέτρωμα συνεργάζονται για να ρυθμίσουν τον άνθρακα σε γεωλογικούς χρόνους. Η έκφραση των αποθεμάτων σε Pg C και η ισοδύναμη μετατροπή τους σε τόνους αναδεικνύει με σαφήνεια ότι, παρότι οι ροές άνθρακα μέσω του εδάφους είναι συχνά μικρές σε ετήσια βάση, τα εδαφικά συστήματα και ιδιαίτερα οι ριζόλιθοι και οι calcrete συμμετέχουν σε δεξαμενές άνθρακα συγκρίσιμες με εκείνες της ατμόσφαιρας που είναι καθοριστικές για τη ρύθμιση του κύκλου του CO₂ σε γεωλογικούς χρόνους. Η μελέτη τους επιτρέπει την ταυτόχρονη ανάγνωση της εδαφογένεσης, του παλαιοκλίματος και των φυσικών μηχανισμών αποθήκευσης άνθρακα, προσφέροντας ένα στιβαρό θεωρητικό και πρακτικό υπόβαθρο όχι μόνο για τη γεωδιατήρηση και τη βιώσιμη διαχείριση του γεωλογικού περιβάλλοντος αλλά και για τον ρόλο τους ως κρίσιμων γεωλογικών ρυθμιστών του κύκλου του CO₂, σε βάθος χρόνου.
* Καθηγητής και τέως Κοσμήτορας της Σχολής Μηχανικών Ορυκτών Πόρων του Πολυτεχνείου Κρήτης
Μεταφράστηκαν, αναδιατυπώθηκαν και αντλήθηκαν δεδομένα από:
[1]Friedlingstein, P., O’Sullivan, M., Jones, M.W., Andrew, R.M., Hauck, J., Landschützer, P., Quéré, C.L., Li, H., Luijkx, I.T., Olsen, A., Peters, G.P., Peters, W., Pongratz, J., Schwingshackl, C., Sitch, S., Canadell, J.G., Ciais, P., Jackson, R.B., Alin, S.R., … Sun, Q. (2025). Global Carbon Budget 2024. Earth System Science Data, 17(3), 965.
[2] Grunwald, S. (2022). Artificial intelligence and soil carbon modeling demystified: power, potentials, and perils. Carbon Footprints, 1(1), 6.
[3]Ellerbrock, R.H., Gerke, H.H. (2013). Characterization of Organic Matter Composition of Soil and Flow Path Surfaces Based on Physicochemical Principles—A Review. In Advances in agronomy, 2013, 117-177.
[4]Ciais, P., Sabine, C., Bala, G., Bopp,L., Brovkin,V., Canadell,J., Chhabra, A.,DeFries,R., Galloway,J., Heimann,M., Jones,C., Le Quéré,C., Myneni,R.B., Piao,S., Thornton,P., et al. (2013). Carbon and Other Biogeochemical Cycles. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
[5] Berner, R.A. (2004). ThePhanerozoic Carbon Cycle. Oxford University Press.
[6] Archer, D., Buffett, B.,Brovkin, V. (2009). Ocean methane hydrates as a slow tipping point in the global carbon cycle. PNAS, 106, 20596–20601.
[7]Jarwar, M.,Dumontet, S., Pasquale, V., Chen, C. (2022). Microbial Induced Carbonate Precipitation: Environments, Applications, and Mechanisms. Geomicrobiology. 10.1080/01490451.2022.2097343.
[8]Ridgwell, A.,Zeebe, R. (2005). The role of the global carbonate cycle in the regulation and evolution of the Earth system. Earth and Planetary Science Letters, 234, 299-315.
[9]Wright, V.P., Tucker, M.E. (1991). Calcretes. In: Wright, V.P. & Tucker, M.E. (eds.), Calcretes, IAS Reprint Series 2. Oxford: Blackwell, pp. 1–22.
[10] Zhou, J., Chafetz, H.S. (2009). Biogeneic caliches in Texas: The role of organisms and effect of climate: Sedimentary Geology, 222, p. 207-225.
