Многие любители растений знают, что добавление органических веществ в поле, огород или цветочный горшок увеличивает влажность почвы. Впервые учёные из Северо-Западного университета раскрыли молекулярные механизмы, которые позволяют органическим веществам повышать способность почвы удерживать воду — даже в условиях, напоминающих пустыню. Исследование [опубликовано](https://academic.oup.com/pnasnexus/advance-article/doi/10.1093/pnasnexus/pgaf259/8229066) в журнале PNAS Nexus.
Углеводы — ключевые компоненты растений и микробов — действуют как молекулярный клей, используя воду для формирования липких мостиков между органическими молекулами и минералами почвы, обнаружили учёные. Эти мостики удерживают влагу, которая в противном случае могла бы испариться. Открытие проливает свет на то, как почвы сохраняют влажность во время засухи и даже как вода могла миллиарды лет сохраняться в неземных камнях, в том числе на Марсе и в метеоритах.
«Правильное количество минералов и органических веществ в почве приводит к образованию здоровых почв с хорошей влажностью», — сказала Людмилла Аристильд из Северо-Западного университета, возглавлявшая исследование. «Каждый это испытывал, но мы не до конца понимали физику и химию того, как это работает. Выяснив это, мы могли бы потенциально создать почву с правильным химическим составом, превратив её в долговременные губки, сохраняющие влагу».
Роль органических веществ в удержании влаги
Аристильд, эксперт по динамике органических веществ в экологических процессах, является доцентом кафедры гражданского и экологического инжиниринга в Северо-Западном университете в Школе инженерии Маккормика. Она является членом Центра синтетической биологии, Международного института нанотехнологий и Института устойчивости и энергетики имени Паулы М. Триененс.
Для проведения исследования команда Аристильд смешала распространённый глинистый минерал (смектит), встречающийся в почвах, с тремя типами углеводов: глюкозой, амилозой и амилопектином. В то время как глюкоза является простым углеводом или сахаром, амилоза и амилопектин — это сложные полимеры в крахмале, состоящие из связанных между собой единиц глюкозы. Амилоза представляет собой длинную линейную цепочку глюкозы; амилопектин также является длинной цепью, но имеет древовидные ветви.
«Мы решили использовать углеводы в качестве типа органического вещества, потому что они существуют повсюду, — сказала Аристильд. — Целлюлоза, наиболее распространённый биополимер на Земле, состоит из глюкозы, а растения и микробы выделяют в почву различные углеводы — от простых до сложных. Мы также выбрали углеводы, потому что у них простая химия, чтобы не усложнять наши результаты определёнными побочными реакциями».
Используя комбинацию моделирования молекулярной динамики, квантовой механики и лабораторных экспериментов, Аристильд и её команда изучили наномасштабные взаимодействия между глинистыми минералами, молекулами воды и тремя типами углеводных соединений.
Учёные обнаружили, что водородные связи обеспечивают ключевой механизм, который позволяет глинам и углеводам удерживать воду. Водородные связи — это слабые силы притяжения, которые заставляют молекулы воды «слипаться» вместе, образуя каплю или протекая через кран. Команда Аристильд обнаружила, что вода также образует водородные связи с поверхностью глинистых минералов и углеводов одновременно, создавая водяные мостики между двумя сущностями. Эти мостики удерживают воду более плотно, что снижает вероятность её потери из-за испарения.
«Когда молекула воды удерживается за счёт водородной связи с углеводом и водородной связи с поверхностью минерала, эта вода имеет сильную энергию связи и застревает между двумя вещами, с которыми она взаимодействует», — сказала Аристильд.
Используя молекулярное моделирование, исследователи обнаружили, что молекулы воды, застрявшие между поверхностью глинистого минерала и углеводами, имели более высокую энергию связи по сравнению с водой, связанной только с глиной. Фактически, сложные сахарные полимеры помогали глине связывать воду в пять раз сильнее, чем глина без связанного с ней углевода. Даже в чрезвычайно сухих условиях вода, связанная с глиной и углеводами, гораздо реже испарялась и с большей вероятностью оставалась в нанопорах глины.
«Мы повысили температуру, чтобы измерить потерю воды как в присутствии, так и в отсутствие углеводов, — сказала Аристильд. — По сравнению с одной глиной для выхода воды из матрицы в присутствии глины и углеводов вместе требовалось более высокая температура. Это означает, что вода удерживалась более сильно в присутствии углеводов».
Разветвлённые и длинноцепочечные углеводы также предотвращали полное схлопывание пор глины в сухих условиях. Обычно, когда глина высыхает, её нанопористые структуры уменьшаются по мере увеличения потери воды из пор. Но сложные углеводы могут предотвратить полное схлопывание глиняных нанопор. Это может помочь сохранить удержание влаги, связанной с захваченными органическими веществами в порах, в течение длительных периодов времени, в том числе во время засухи.
Эта новая информация не только поможет нам понять почву на нашей планете, но и может предоставить новые сведения о соседях в нашей Солнечной системе и за её пределами.
«Хотя нашей целью было понять, как почва на Земле удерживает влагу, механизмы, которые мы обнаружили здесь, могут иметь значение для понимания явлений за пределами нашей планеты, — сказала Аристильд. — Существует большой интерес к тому, как эти отношения между органическими веществами и водой могут проявляться на других планетах, особенно на тех, которые, как считается, когда-то были пристанищем жизни».
Предоставлено Северо-Западным университетом