碳中和新途径! 今日Nature Nanotech：纳米颗粒助力海洋施肥！

原创十一邃瞳科学云

第一作者：Peyman Babakhani

通讯作者：Michael F. Hochella Jr.

通讯单位：英国利兹大学

论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-022-01226-w

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人工海洋施肥 (AOF) 旨在安全地刺激海洋中浮游植物的生长并增强碳封存。AOF 碳封存效率似乎低于自然海洋施肥过程，这主要是由于添加的营养素的生物利用度低，以及 AOF 产生的生物质的深海沉淀率低。本文探讨了工程纳米粒子 (ENPs) 在克服这些问题方面的潜在应用。来自 123 项研究的数据表明，某些 ENPs 在浓度低于对海洋生态系统可能产生毒性的浓度时，可能会促进浮游植物的生长。ENPs 还可以延长水华寿命，促进浮游植物聚集和碳输出，并解决 AOF 中的次要限制因素。生命周期评估和成本分析表明，铁、SiO₂ 和 Al₂O₃ENPs 的净 CO₂ 捕获是可能的，成本是传统 AOF 的 2-5 倍，而通过 ENPs提高 AOF 效率应该会提高净 CO₂ 捕获并降低这些成本。因此，基于 ENP 的 AOF 可以成为限制全球变暖缓解策略的重要组成部分。

背景介绍

最近的国际气候修复方案依赖于从大气中大量去除二氧化碳 (CDR)，以及大幅减少二氧化碳排放，从而将全球变暖保持在 2°C 以下。人工海洋施肥 (AOF)，作为一种 CDR 方法，涉及有意添加营养素（通常是铁）以刺激海洋中的浮游植物生长和 CO₂ 吸收（图 1a）。一小部分受刺激的浮游植物生物量随后下沉，将碳输出到深海/海底，该过程持续数百年至数千年。

迄今为止，科学家已经进行了 13 项将 Fe²⁺ 人工添加到 25-300 km² 海洋中的实地规模实验。此外还有几项实地规模研究监测了海洋施肥的自然发生。这些研究表明，虽然大多数人工添加物可以刺激大量浮游植物大量繁殖，但它们减少 CO₂ 的效率远低于观察到的自然施肥（例如，通过大气中的陆地灰尘沉积）效率。生物质输出速度缓慢，如果与再矿化率（细菌将有机碳转化为 CO₂ 的速度）相比没有提高的话，会抵消 AOF 的潜在好处。再矿化还会导致地下水耗尽氧气，并产生甲烷和一氧化二氮，其全球变暖潜能值高于二氧化碳。然而，随着公众越来越关注气候变化的影响，以及需要负排放技术来实现 2015 年《巴黎协定》的目标，人们对 AOF 重新产生了兴趣。

纳米粒子（1-100 nm），由于它们相对较高的数量密度、非常高的比表面积和扩散率，可能对海洋中的浮游植物具有高的生物利用度。天然存在的纳米粒子的重要作用已经在自然海洋施肥中证实。例如，天然铁（羟基）氧化物纳米颗粒已被作为生物可利用铁的来源，这些铁来自冰川、大陆沉积物、火山灰等。天然纳米粒子还可以提供其他营养物质，例如磷。这些发现表明，在 AOF 中使用工程纳米粒子 (ENPs) 可能会带来理想的效率，因为它们的纳米特性类似于它们的天然对应物。此外，可以设计 ENP 来减轻当前 AOF 方法的缺点，从而最大限度地提高效率。如果通过使用 ENP 实现相当大的 CO₂ 减少，这可能允许将该方法作为 CDR 技术应用于较小规模或特定位置，从而减轻对整个海洋生态系统地球工程和下游“营养物窃取”风险的一些担忧。

在过去的二十年中，ENPs 在相对较大尺度的环境系统中的应用得到了广泛研究，例如用于土壤/地下水修复的纳米级零价铁 (NZVI) 浆液，以及各种 ENPs 在加强可持续农业和水产养殖方面的应用。在土壤/地下水修复中，尽管 ENPs 输送到污染源区存在挑战，并且人们担心 ENPs 对饮用水资源的风险，但该技术已经在世界范围内广泛商业化。

图文解析

图1. 海洋施肥示意图，基于使用硫酸铁的传统方法 (a) 和本研究中提出的使用 ENPs 的新方法 (b) 。

图2. a，对于不同 ENPs，生长刺激下限和上限的箱形图。QD，量子点。b，与平均值（粗条）相比，相同数据（细条）的最小值和最大值。c，不同ENPs的浓度范围对不同物种（如浮游植物、浮游动物、鱼类和甲壳类动物）的毒性影响和促进藻类/浮游植物生长的浓度范围。d，在不同研究中调查的毒性平均浓度的标称范围（细橙色条）；与调查的平均浓度的标称范围相比，不同 ENPs 上观察到的平均毒性浓度范围；以及在藻类生长刺激研究（细绿色条）中，平均浓度范围导致的生长刺激（粗绿色条）。

图3. ENPs 可用于 AOF 的两种可能情况，包括应用具有不同涂层的 ENPs 混合物（a、b）和使用多功能纳米复合材料（c、d）。一般来说，作为对 ENPs 的响应，浮游植物细胞会产生 EPSs，这可能会促进对附着物的空间排斥，而聚合物桥接吸引力和潜在的疏水吸引力可能共同导致 ENPs松散地粘附到浮游植物表面 EPSs 上。后者有利于 AOF，因为它可以导致 ENPs 在部分利用后从细胞表面脱离，这可能为下一代浮游植物提供可用性。ENP-EPS 复合物与浮游植物细胞的分离也可能是由于浮游植物在 ENPs 存在的情况下进一步排泄 EPSs。在混合 ENP 场景(a,b) 中，铁 ENPs 等纳米粒子可以通过溶解为浮游植物提供营养，同时促进 EPS 的产生，这可以聚集浮游植物细胞并增加下沉速度。一些 ENPs，如 SiO₂，可以设计为与细胞相互作用，可以附着在细胞表面 EPS 上，并通过镇流器效应进一步提高它们的下沉率 (b)。在第二种情况 (c,d) 中，多层核-壳 ENP 设计有不同层的厚度，根据浮游植物物种在营养物变得有限时，所需的营养物的数量和时间 (d)。

图4. LCA 结果。从 LCA 确定的不同过程的CO₂e排放量，包括 (a) 不同合成方法生产 NZVI、SiO₂、Al₂O₃、ZnO 和 CeO₂ ENPs，(b) 聚合物包覆和在 AOF 中的使用。

图5. (a) 现在的成本和 (b) 以前的成本比较；成本计算包括各种合成方法、使用 ENPs聚合物涂层和 AOF 操作过程（交付和分发，仅使用船舶）。为了比较，还对硫酸铁进行了分析。紫色条显示了估计的成本范围，靠近条中间的蓝线表示平均结果。

总结与展望

总的来说，ENPs由于其巨大的数量密度、比表面积、扩散优势、生物利用度以及设计靶向性和其他功能的潜力，可能为 AOF 的应用提供多种好处。这些好处解决了使用传统方法进行 AOF 的挑战，包括提高生物利用度、营养物共同输送、光合效率、输出效率和浮游植物寿命。尽管该分析表明，使用选定的 ENPs（NZVI、SiO₂和 Al₂O₃）的AOF 的 CO₂e 排放量和实施成本分别比使用溶解铁方法高 4-10 倍和 2-5 倍，但这些结果是基于最坏情况使用 ENPs 导致的。ENPs 解决了上述传统 AOF 挑战的潜力，可能会提高 AOF 的效率，并可能减轻对其应用的担忧。总之，基于 ENPs 的 AOF 可能是应对气候变化的一种卓越的二氧化碳去除方法。

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