_ Noile descoperiri explică modul în care capcanele de sol carbon pe bază de plante

Atunci când moleculele de carbon de la plante intră în sol, ele lovesc definitiv drumul. Fie carbonul rămâne prins în sol pentru zile sau chiar ani, unde este efectiv blocat de la intrarea imediată în atmosferă. Sau hrănește microbi, care apoi respiră dioxid de carbon (CO2) în mediul care se încălzește mereu.

Într-un nou studiu, cercetătorii de la Universitatea Northwestern au determinat factorii care ar putea înclina materia organică din plante într-o direcție sau celălalt.

Combinând experimente de laborator și modelare moleculară, cercetătorii au examinat interacțiunile dintre biomoleculele de carbon organic și un tip de minerale argiloase cunoscute pentru captarea materiei organice în sol. Ei au descoperit că sarcinile electrostatice, caracteristicile structurale ale moleculelor de carbon, nutrienții metalici din jur în sol și competiția dintre molecule joacă toate un rol major în capacitatea (sau incapacitatea) solului de a capta carbonul.

Noile descoperiri ar putea ajuta cercetătorii să prezică care chimie ale solului sunt cele mai favorabile pentru captarea carbonului, ceea ce poate duce la soluții bazate pe sol pentru încetinirea schimbărilor climatice cauzate de om.

Articolul, intitulat „Cuplarea electrostatică și puntea apei în ierarhia de adsorbție a biomoleculelor la apă– interfețe cu argilă”, va fi publicată pe 9 februarie în Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Cantitatea de carbon organic stocată în sol este de aproximativ 10 ori mai mare decât cantitatea de carbon din atmosferă”. a spus Ludmilla Aristilde de la Northwestern, autorul principal al studiului. „Dacă acest rezervor enorm este perturbat, ar avea efecte de ondulare substanțiale. Există multe eforturi pentru a menține carbonul prins pentru a preveni intrarea în atmosferă. Dacă vrem să facem asta, atunci trebuie să înțelegem mai întâi mecanismele în joc.”

Expert în dinamica substanțelor organice în procesele de mediu, Aristilde este profesor asociat de inginerie civilă și de mediu la McCormick School of Engineering din Northwestern. Jiaxing Wang, Ph.D. student în laboratorul lui Aristilde, este primul autor al lucrării. Rebecca Wilson, studentă la Northwestern, este cea de-a doua autoră a lucrării.

Deținând 2.500 de miliarde de tone de carbon captat, solul este unul dintre cele mai mari absorbante de carbon de pe Pământ, al doilea după ocean. Dar, deși solul este peste tot în jurul nostru, cercetătorii abia încep să înțeleagă cum se blochează carbonul pentru a-l sechestra din ciclul carbonului.

Pentru a investiga acest proces, Aristilde și echipa ei au căutat să smectite argila, un tip de mineral argilos cunoscut că captează carbonul în solurile naturale. Apoi, au examinat modul în care suprafața mineralului argilos s-a legat de zece biomolecule diferite, inclusiv aminoacizi, celuloză înrudită cu zaharuri și acizi fenolici legați de lignină, cu chimie și structuri diferite.

„Am decis să studiem acest mineral de argilă. pentru că este peste tot”, a spus Aristilde. „Aproape toate solurile au minerale argiloase. De asemenea, argilele sunt predominante în climatele semi-aride și temperate – regiuni despre care știm că vor fi afectate de schimbările climatice.”

Aristilde și echipa ei au analizat mai întâi interacțiunile dintre argilă. minerale și biomolecule individuale. Deoarece mineralele de argilă sunt încărcate negativ, biomoleculele cu componente încărcate pozitiv (lizină, histidină și treonină) au experimentat cea mai puternică legare. Dar, interesant, această legare nu a fost determinată exclusiv de încărcăturile electrostatice. Folosind modelarea computațională 3D, cercetătorii au descoperit că structura biomoleculelor a jucat, de asemenea, un rol.

„Există cazuri în care două molecule sunt ambele încărcate pozitiv, dar una are o interacțiune mai bună cu argila decât cealaltă”, a spus Aristilde. „Se datorează faptului că caracteristicile structurale ale legării sunt de asemenea importante. O moleculă trebuie să fie suficient de flexibilă pentru a adopta un aranjament structural care se poate poziționa într-un mod care să-și alinieze componentele încărcate pozitiv cu argila. Lizina, de exemplu, are un braț lung cu o sarcină pozitivă pe care o poate folosi pentru a se ancora.”

Urmând această logică, s-ar putea presupune că biomoleculele încărcate negativ nu au putut să se lege de argilă. Dar Aristilde și echipa ei au descoperit că nutrienții metalici naturali din jur ar putea interveni. Metalele încărcate pozitiv, cum ar fi magneziul și calciul, au format o punte între biomoleculele încărcate negativ și mineralele de argilă pentru a crea o legătură.

„Chiar și cu o biomoleculă care în mod normal nu s-ar lega de argilă, am văzut o creștere semnificativă a legăturii atunci când magneziul era acolo”, a spus Aristilde. „Deci, constituenții metalici naturali din sol pot facilita captarea carbonului. Deși acesta este un fenomen raportat pe scară largă, aruncăm lumină asupra structurilor și mecanismelor.”

Când studiem interacțiunile dintre biomoleculele individuale și mineralele argiloase, cercetătorii au descoperit că legarea era previzibilă și simplă. Pentru a obține informații mai strâns aliniate cu mediile din lumea reală, Aristilde și echipa ei au amestecat diferitele biomolecule împreună.

„Știm că există diferite tipuri de biomolecule în mediu”, a spus Aristilde. „Așadar, am efectuat și experimente cu un amestec de biomolecule.”

Deși inițial cercetătorii au crezut că biomoleculele vor concura între ele pentru a interacționa cu argila, ei au descoperit în schimb comportamente neașteptate. Într-o întorsătură surprinzătoare, chiar și biomoleculele încărcate pozitiv cu structuri flexibile au fost inhibate de la legarea de mineralele argiloase. Deși s-au legat cu ușurință de argilă atunci când sunt singuri, îndemnurile biomoleculelor de a se lega unele de altele pare să înlocuiască atracțiile lor față de argilă.

„Acest lucru nu a fost demonstrat înainte”, a spus Aristilde. „Energia de atracție dintre două biomolecule a fost de fapt mai mare decât energia de atracție a unei biomolecule către argilă. Asta a dus la o scădere a adsorbției. Schimbă modul în care ne gândim la modul în care moleculele concurează la suprafață. Ele nu sunt doar concurând pentru locurile de legare de la suprafață. Se pot atrage de fapt unul pe celălalt.”

În continuare, Aristilde și echipa ei plănuiesc să examineze modul în care biomoleculele interacționează cu mineralele din solurile găsite în regiunile mai calde, inclusiv în climele tropicale. Într-un alt proiect conex, ei își propun să exploreze modul în care materia organică este transportată în râuri și în alte sisteme de apă.

„Acum, că am studiat mineralele argiloase găsite mai ales în zonele temperate, dorim să înțelegem alte tipuri de minerale. ”, a spus Aristilde. „Cum captează materia organică? Procesele sunt aceleași sau diferite? Dacă vrem să păstrăm carbonul prins în sol, atunci trebuie să înțelegem cum este asamblat totul și cum afectează acest ansamblu accesibilitatea la microbi.”

(Fluierul)