DOI: https://doi.org/10.1038/s44458-025-00004-8
تاريخ النشر: 2026-01-08
المؤلف: Mojtaba Fakhraee وآخرون
الموضوع الرئيسي: بيولوجيا النباتات البحرية والساحلية
نظرة عامة
في هذه الدراسة، نقدم تقديرًا جديدًا لإمكانات إزالة ثاني أكسيد الكربون (CDR) من مزارع الطحالب البحرية، تحديدًا من خلال تعزيز إنتاج القلوية في الرواسب الأساسية. باستخدام نموذج تحلل الرواسب المستند إلى بيانات تدفق عضوي تجريبية، قمنا بتحديد تدفق القلوية واستخدمنا نهجًا عشوائيًا لأخذ الشكوك البيئية في الاعتبار. تشير نتائجنا إلى أن إنتاج القلوية يتوافق مع متوسط إمكانات CDR بحوالي 0.85 طن من CO₂/هكتار/سنة، مع نطاق تباين يتراوح بين 0.1 إلى 2.0 طن من CO₂/هكتار/سنة. تشير هذه المعدلات إلى أن زراعة الطحالب البحرية يمكن أن تلتقط حوالي 57.6 مليون طن من CO₂ سنويًا، مع نطاق يتراوح من 6.8 إلى 135.6 مليون طن، مما يساهم بشكل كبير في جهود احتجاز الكربون العالمية.
علاوة على ذلك، تسلط الدراسة الضوء على الفوائد المزدوجة لأساليب CDR المستندة إلى الطبيعة، التي لا توفر فقط خدمات النظام البيئي ولكن أيضًا تخلق فرصًا اقتصادية جديدة للمجتمعات المتأثرة بتغير المناخ. ومع ذلك، فإن المخاوف بشأن إعادة إطلاق الكربون المحتجز ودوام الكربون المحتجز تتطلب مزيدًا من التحقيق. لا يسهل زيادة قلوية الرواسب فقط دفن الكربون المباشر ولكن أيضًا يعزز من قدرة المحيط على التخفيف، مما يضمن احتجاز CO₂ على المدى الطويل على مدى آلاف السنين. يجب أن تعطي الأبحاث المستقبلية الأولوية للتحقق الميداني من قيم تدفق القلوية وتحسين ممارسات زراعة الطحالب البحرية لتعظيم احتجاز الكربون. بالإضافة إلى ذلك، فإن الاعتراف بقيمة توليد القلوية من خلال آليات مثل اعتمادات الكربون يمكن أن يدعم الجدوى الاقتصادية لهذا النظام الغذائي المستدام مع معالجة التحديات المتعلقة بالإضافية وتسجيل الاعتمادات.
الطرق
في هذا القسم، يحدد المؤلفون الإطار الرياضي المستخدم لنمذجة التوزيعات الرأسية للأنواع الكيميائية في أعمدة الرواسب، مع التركيز على كل من الطور الذائب والصلب. يتم تقديم المعادلات التحليلية للذائبات والمواد الصلبة، مع دمج معلمات مثل معاملات الانتشار الجزيئي، وسرعات الدفن، ومعاملات الري البيولوجي. يتم تعريف معدل تحلل المادة العضوية بواسطة قانون قوة يعتمد على عمر الكربون، ويفترض النموذج أن معدل إنتاج الكربون غير العضوي المذاب يعادل معدل تحلل المادة العضوية. يتم اشتقاق ملف pH من تركيزات معروفة من الكربون غير العضوي المذاب والقلوية، مع تطبيق شروط حدودية محددة عند واجهة الرواسب والماء وقاع المجال.
تم إجراء تحليل حساسية لتقييم تأثير معلمات النموذج المختلفة على تدفق القلوية القاعية. أظهرت النتائج أن معظم المعلمات كان لها تأثير ضئيل على تدفق القلوية، مع تأثيرات طبيعية تتراوح بين -0.1 و0.1. ومع ذلك، تم تحديد الإنتاج الأولي الصافي، وشدة الري البيولوجي، ومعامل الانتشار الجزيئي للأكسجين كعوامل مهمة. وُجد أن زيادة الإنتاج الأولي الصافي تعزز التنفس اللاهوائي وإنتاج القلوية من خلال تقليل اختراق الأكسجين، بينما أظهرت زيادة الري البيولوجي وانتشار الأكسجين أنها تقمع إنتاج القلوية بسبب زيادة الخلط وتوافر الأكسجين.
النتائج
تشير نتائج هذه الدراسة إلى أن زيادة تدفقات المادة العضوية من زراعة الطحالب البحرية تعزز بشكل كبير إنتاج القلوية في الرواسب. تكشف التحليلات العشوائية أن معدلات دفن المادة العضوية تحت مزارع الطحالب البحرية يمكن أن تؤدي إلى زيادات في إنتاج القلوية تتراوح من عشرات إلى عدة مئات من μmol/cm²/سنة. يُعزى هذا التعزيز بشكل أساسي إلى تسريع ذوبان المعادن الكربونية (تحديدًا الكالسيت) وتقليل الكبريت، المدفوع بمعدلات أعلى من التنفس الهوائي الناتج عن زيادة تدفق المادة العضوية. على الرغم من أن إنتاج القلوية الملحوظ أعلى من ذلك من الرواسب البحرية النموذجية، إلا أنه لا يزال أقل من ذلك من نظم الكربون الأزرق مثل غابات المانغروف، ويرجع ذلك إلى انخفاض معدلات دفن المادة العضوية في مزارع الطحالب البحرية.
يتراوح تقدير إمكانات إزالة ثاني أكسيد الكربون (CDR) من هذه المزارع بين 0.1 إلى أكثر من 2 طن من CO₂ لكل هكتار سنويًا، مما يترجم إلى إمكانات إجمالية تتراوح بين 0.35 إلى 7 مليون طن من CO₂ سنويًا للمساحة الحالية البالغة 3.5 مليون هكتار من مزارع الطحالب البحرية. إذا توسعت الصناعة إلى 67.78 مليون هكتار بحلول عام 2050، فقد ترتفع إمكانات CDR بشكل كبير إلى متوسط تقديري يبلغ حوالي 57.6 مليون طن سنويًا. ومع ذلك، يحذر المؤلفون من أن هذه التقديرات أولية وتخضع لقدر كبير من عدم اليقين، مما يتطلب مزيدًا من الأبحاث التجريبية لتحسين التنبؤات وفهم أفضل للتداعيات العالمية لزراعة الطحالب البحرية على دورة المغذيات وإنتاجية المحيطات الأولية. تؤكد الدراسة على أهمية تحديد توليد القلوية في ميزانيات الكربون لتعزيز إمكانات التخفيف من آثار زراعة الطحالب البحرية.
المناقشة
في هذه المناقشة، يستكشف فخرائي وبلانافسكي إمكانات تربية الطحالب البحرية كطريقة مستدامة لإزالة ثاني أكسيد الكربون (CDR) من خلال تعزيز إنتاج القلوية في الرواسب. باستخدام نموذج تحلل الرواسب، تحدد الدراسة أن مزارع الطحالب البحرية يمكن أن تحقق متوسط تدفق قلوية يتوافق مع إزالة حوالي 0.85 طن من CO₂ لكل هكتار سنويًا، مع نطاق من 0.1 إلى 2 طن لكل هكتار سنويًا. لا يساهم هذا الآلية فقط في احتجاز الكربون على المدى الطويل ولكن أيضًا يبرز الفوائد المزدوجة لزراعة الطحالب البحرية في معالجة تغير المناخ بينما تدعم الاقتصاديات المحلية من خلال توفير الغذاء والمواد الخام الصناعية.
تؤكد النتائج على أهمية الحلول المستندة إلى الطبيعة في السياق الأوسع لاستراتيجيات CDR، خاصة بالنظر إلى التحديات المرتبطة بالطرق الهندسية. بينما توجد مخاوف بشأن إعادة التمعدن المحتملة للكربون المحتجز، تشير الدراسة إلى أن القلوية الناتجة في الرواسب يمكن أن تعزز من قدرة المحيط على التخفيف، مما يسمح بتخزين الكربون على مدى آلاف السنين. يدعو المؤلفون إلى مزيد من الأبحاث للتحقق من تقديرات تدفق القلوية هذه وتحسين ممارسات زراعة الطحالب البحرية، مقترحين أن تحويل هذه الإزالة للكربون من خلال آليات مثل اعتمادات الكربون يمكن أن يعزز الجدوى الاقتصادية لتربية الطحالب البحرية ويسهل توسيعها كاستراتيجية لتخفيف آثار تغير المناخ.
DOI: https://doi.org/10.1038/s44458-025-00004-8
Publication Date: 2026-01-08
Author(s): Mojtaba Fakhraee et al.
Primary Topic: Marine and coastal plant biology
Overview
In this study, we present a novel estimate of the carbon dioxide removal (CDR) potential of seaweed farms, specifically through the enhancement of alkalinity production in underlying sediments. Utilizing a sediment diagenetic model informed by empirical organic flux data, we quantified the alkalinity flux and employed a stochastic approach to account for environmental uncertainties. Our findings suggest that the alkalinity production corresponds to a mean CDR potential of approximately 0.85 tCO₂/ha/year, with a variability range of about 0.1 to 2.0 tCO₂/ha/year. Extrapolating these rates indicates that seaweed farming could potentially capture around 57.6 million tons of CO₂ annually, with a range from 6.8 to 135.6 million tons, contributing significantly to global carbon sequestration efforts.
Moreover, the study highlights the dual benefits of nature-based CDR approaches, which not only provide ecosystem services but also create new economic opportunities for communities affected by climate change. However, concerns regarding the re-release of captured carbon and the durability of sequestered carbon necessitate further investigation. The increased sediment alkalinity not only facilitates direct carbon burial but also enhances the ocean’s buffering capacity, ensuring long-term CO₂ sequestration over millennia. Future research should prioritize field verification of alkalinity flux values and the optimization of seaweed farming practices to maximize carbon capture. Additionally, recognizing the value of alkalinity generation through mechanisms such as carbon credits could support the economic viability of this sustainable food system while addressing challenges related to additionality and credit registration.
Methods
In this section, the authors outline the mathematical framework used to model the vertical distributions of chemical species in sediment columns, focusing on both solute and solid phases. The diagenetic equations for solutes and solids are presented, incorporating parameters such as molecular diffusion coefficients, burial velocities, and bio-irrigation coefficients. The degradation rate of organic matter is defined by a power law dependent on carbon age, and the model assumes that the rate of dissolved inorganic carbon production is equivalent to the organic matter degradation rate. The pH profile is derived from known concentrations of dissolved inorganic carbon and alkalinity, with specific boundary conditions applied at the sediment-water interface and the bottom of the domain.
A sensitivity analysis was conducted to assess the impact of various model parameters on benthic alkalinity flux. The results indicated that most parameters had minimal influence on alkalinity flux, with normalized effects ranging between -0.1 and 0.1. However, net primary production, bioirrigation intensity, and the molecular diffusion coefficient of oxygen were identified as significant factors. Increased net primary production was found to enhance anaerobic respiration and alkalinity production by reducing oxygen penetration, while higher bioirrigation and oxygen diffusion were shown to suppress alkalinity production due to increased mixing and oxygen availability.
Results
The results of this study indicate that increased organic matter fluxes from seaweed farming significantly enhance sedimentary alkalinity production. Stochastic analyses reveal that organic matter burial rates beneath seaweed farms can lead to alkalinity production increases ranging from tens to several hundreds of μmol/cm²/year. This enhancement is primarily attributed to accelerated carbonate mineral dissolution (specifically calcite) and sulfate reduction, driven by higher rates of aerobic respiration resulting from increased organic matter delivery. Although the alkalinity production observed is higher than that from typical marine sediments, it remains lower than that from blue carbon ecosystems like mangrove forests, largely due to lower organic matter burial rates in seaweed farms.
The estimated carbon dioxide removal (CDR) potential from these farms ranges between 0.1 to over 2 tons of CO₂ per hectare annually, translating to an overall potential of 0.35 to 7 million tons of CO₂ per year for the current 3.5 million hectares of seaweed farms. If the industry expands to 67.78 million hectares by 2050, the CDR potential could rise significantly to an estimated mean of approximately 57.6 million tons per year. However, the authors caution that these estimates are preliminary and subject to considerable uncertainty, necessitating further empirical research to refine predictions and better understand the global implications of seaweed farming on nutrient cycling and marine primary productivity. The study emphasizes the importance of quantifying alkalinity generation in carbon budgets to enhance the mitigation potential of seaweed farming.
Discussion
In this discussion, Fakhraee and Planavsky explore the potential of seaweed aquaculture as a sustainable method for carbon dioxide removal (CDR) through enhanced sedimentary alkalinity production. Utilizing a sediment diagenetic model, the study quantifies that seaweed farms can achieve an average alkalinity flux that corresponds to the removal of approximately 0.85 tonnes of CO₂ per hectare per year, with a range of 0.1 to 2 tonnes per hectare per year. This mechanism not only contributes to long-term carbon sequestration but also highlights the dual benefits of seaweed farming in addressing climate change while supporting local economies through the provision of food and industrial feedstock.
The findings emphasize the importance of nature-based solutions in the broader context of CDR strategies, particularly given the challenges associated with engineered methods. While concerns exist regarding the potential re-mineralization of captured carbon, the study suggests that the alkalinity generated in sediments can enhance the ocean’s buffering capacity, allowing for carbon storage on millennial timescales. The authors advocate for further research to validate these alkalinity flux estimates and optimize seaweed farming practices, proposing that monetizing this carbon removal through mechanisms like carbon credits could bolster the economic viability of seaweed aquaculture and facilitate its scaling as a climate mitigation strategy.