Un mineral de fier modest folosește un mozaic secret de sarcini și legături pentru a smulge carbonul din mediu și a-l păstra îngropat pe termen lung.
Oamenii de știință știu de ani de zile că mineralele de oxid de fier ajută la stocarea unor cantități vaste de carbon, ținându-l departe de atmosferă. Un nou studiu de la Universitatea Northwestern explică acum chimia din spatele acestei abilități, dezvăluind de ce aceste minerale sunt deosebit de eficiente în blocarea carbonului în loc.
Examinând îndeaproape ferihidritul, un mineral obișnuit de oxid de fier, inginerii au descoperit că acesta se bazează pe mai multe procese chimice distincte pentru a capta și reține carbonul. În loc să folosească o singură metodă, mineralul utilizează strategii multiple care îi permit să lege multe tipuri diferite de material organic.
Deși ferihidritul are o sarcină electrică generală pozitivă, cercetătorii au descoperit că suprafața sa este departe de a fi uniformă. În schimb, este alcătuită din regiuni mici, cu sarcini atât pozitive, cât și negative. Această structură peticită permite ferihidritului să interacționeze cu carbonul în mai multe moduri decât au înțeles oamenii de știință până acum.
Pe lângă atracția electrică, mineralul formează legături chimice și legături de hidrogen care creează legături puternice între suprafața sa și moleculele organice. Împreună, aceste mecanisme fac din mineralele de oxid de fier lianți de carbon extrem de adaptabili. Ele pot capta o gamă largă de compuși organici și îi pot reține pentru perioade lungi, uneori durând decenii sau chiar secole. Acest proces ajută la prevenirea reintrării carbonului în atmosferă sub formă de gaze cu efect de seră care contribuie la încălzirea climei.
Rezultatele au fost publicate în jurnalul Environmental Science & Technology și oferă cea mai detaliată imagine de până acum a chimiei de suprafață a ferihidritului, un factor cheie în modul în care solurile stochează carbonul.
"Mineralele de oxid de fier sunt importante pentru controlul conservării pe termen lung a carbonului organic în soluri și sedimente marine", a declarat Ludmilla Aristilde de la Northwestern, care a condus studiul. "Soarta carbonului organic din mediu este strâns legată de ciclul global al carbonului, inclusiv transformarea materiei organice în gaze cu efect de seră. Prin urmare, este important să înțelegem modul în care mineralele captează materia organică, dar evaluarea cantitativă a modului în care oxizii de fier captează diferite tipuri de materie organică prin diferite mecanisme de legare a lipsit."
Aristilde este profesor de inginerie civilă și de mediu la McCormick School of Engineering din Northwestern și studiază modul în care materialele organice se comportă în sistemele de mediu. Ea este, de asemenea, afiliată cu International Institute for Nanotechnology, Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy și Center for Synthetic Biology.
Jiaxing Wang a fost primul autor al studiului, Benjamin Barrios Cerda fiind al doilea autor. Ambii sunt asociați postdoctorali în laboratorul Aristilde.
Solul stochează aproximativ 2.500 de miliarde de tone de carbon, ceea ce îl face una dintre cele mai mari rezerve de carbon ale planetei, a doua după ocean. În ciuda importanței sale, oamenii de știință încă dezvăluie procesele exacte care permit solului să îndepărteze carbonul din ciclul activ al carbonului și să-l păstreze sub pământ.
Aristilde și echipa sa au petrecut ani de zile studiind modul în care mineralele și microbii din sol influențează dacă carbonul rămâne prins sau este eliberat înapoi în atmosferă. Lucrările lor anterioare au examinat modul în care mineralele argiloase leagă materia organică și modul în care microbii convertesc preferențial anumiți compuși organici în dioxid de carbon.
În această ultimă cercetare, echipa s-a concentrat asupra mineralelor de oxid de fier, care sunt legate de mai mult de o treime din carbonul organic găsit în soluri. S-au concentrat pe ferihidrit, un mineral găsit în mod obișnuit lângă rădăcinile plantelor și în solurile sau sedimentele bogate în material organic. Chiar dacă ferihidritul apare adesea încărcat pozitiv în condiții de mediu, el poate lega compuși organici cu sarcini negative, pozitive sau neutre.
Pentru a înțelege modul în care ferihidritul interacționează cu o gamă atât de largă de compuși, cercetătorii au folosit modelarea moleculară de înaltă rezoluție împreună cu microscopia cu forță atomică pentru a examina îndeaproape suprafața mineralului. Deși încărcarea sa generală este pozitivă, ei au confirmat că suprafața conține un amestec de regiuni pozitive și negative. Acest lucru ajută la explicarea motivului pentru care ferihidritul poate atrage substanțe încărcate negativ, cum ar fi fosfatul, precum și ioni metalici încărcați pozitiv.
"Este bine documentat faptul că încărcarea generală a ferihidritului este pozitivă în condiții de mediu relevante", a spus Aristilde. "Aceasta a dus la presupuneri că doar compușii încărcați negativ se vor lega de aceste minerale, dar știm că mineralele pot lega compuși cu sarcini atât negative, cât și pozitive. Lucrarea noastră ilustrează că suma sarcinilor negative și pozitive distribuite pe suprafață conferă mineralului încărcarea sa pozitivă generală."
După cartografierea sarcinilor de suprafață, echipa a testat modul în care diferite molecule organice interacționează cu ferihidritul. Ei au expus mineralul la compuși găsiți în mod obișnuit în sol, inclusiv aminoacizi, acizi vegetali, zaharuri și ribonucleotide. Cercetătorii au măsurat cât de mult din fiecare compus a aderat la mineral și au folosit spectroscopia în infraroșu pentru a determina modul în care se atașează moleculele.
Experimentele au dezvăluit că ferihidritul leagă molecule organice prin mai multe căi distincte. Aminoacizii încărcați pozitiv se atașează la zonele încărcate negativ ale mineralului, în timp ce aminoacizii încărcați negativ se leagă de regiunile încărcate pozitiv. Unii compuși, cum ar fi ribonucleotidele, sunt atrași inițial de forțele electrice, dar apoi formează legături chimice mai puternice cu atomii de fier. Zaharurile, care se leagă mai slab, se atașează prin legături de hidrogen.
"În mod colectiv, descoperirile noastre oferă o justificare, pe o bază cantitativă, pentru construirea unui cadru pentru mecanismele care conduc asociațiile mineral-organic implicate în conservarea pe termen lung a materiei organice", a spus Aristilde. "Aceste asociații pot ajuta la explicarea motivului pentru care unele molecule organice rămân protejate în soluri, în timp ce altele sunt mai vulnerabile la a fi descompuse și respirate de microbi."
În continuare, cercetătorii intenționează să studieze ce se întâmplă după ce moleculele organice se leagă de suprafețele minerale. Unele pot fi transformate în compuși pe care microbii îi pot descompune în continuare, în timp ce altele ar putea deveni și mai rezistente la descompunere.