Учёные давно знают, что минералы на основе оксида железа помогают удерживать огромное количество углерода, изолируя его от атмосферы. Однако новое исследование Северо-Западного университета раскрывает, почему эти минералы являются такими мощными ловушками для углерода.
Изучая ферригидрит, распространённый минерал на основе оксида железа, инженеры обнаружили, что он использует несколько принципиально разных химических стратегий для захвата углерода и его удержания.
Хотя ферригидрит имеет общий положительный электрический заряд, инженеры выяснили, что его поверхность неоднородна по заряду. Она напоминает наноразмерную мозаику из положительно и отрицательно заряженных участков. И ферригидрит не удерживает углерод только за счёт электростатического притяжения. Он также использует химические связи и водородные связи для формирования прочных химических связей между своей поверхностью и органическими материалами.
Эти неожиданные стратегии превращают минералы на основе оксида железа в универсальных «хватчиков» углерода, способных захватывать и удерживать множество различных типов органических молекул.
Результаты исследования предлагают новое понимание того, как эти минералы в почвах удерживают углерод на протяжении десятилетий или даже столетий, предотвращая его попадание в атмосферу в виде парниковых газов, способствующих изменению климата.
Исследование опубликовано в журнале Environmental Science & Technology.
«Минералы на основе оксида железа важны для контроля долгосрочного сохранения органического углерода в почвах и морских отложениях», — говорит руководитель исследования Люdmilla Aristilde из Северо-Западного университета. «Судьба органического углерода в окружающей среде тесно связана с глобальным углеродным циклом, включая трансформацию органического вещества в парниковые газы. Поэтому важно понимать, как минералы удерживают органическое вещество, но количественная оценка того, как оксиды железа улавливают различные типы органического вещества с помощью различных механизмов связывания, отсутствовала».
Основные выводы исследования
Люdmilla Aristilde — эксперт в области динамики органических веществ в экологических процессах, профессор гражданского и экологического инжиниринга в Инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета. Она также является членом Международного института нанотехнологий, Института Пола М. Триененса по устойчивому развитию и энергетике и Центра синтетической биологии.
Почва, содержащая около 2 500 миллиардов тонн изолированного углерода, является одним из крупнейших на Земле поглотителей углерода — уступая только океану. Но хотя почва находится повсюду вокруг нас, учёные только начинают понимать, как она удерживает углерод, выводя его из активного углеродного цикла.
Комбинируя лабораторные эксперименты с теоретическим моделированием, Аристольд и её команда годами изучали минералы и обитающие в почве микробы с целью определения факторов, которые заставляют почву либо удерживать, либо высвобождать углерод.
В предыдущих работах Аристольд и её команда исследовали, как глинистые минералы связывают органическое вещество и как почвенные микробы преимущественно превращают неуглеводные органические соединения в углекислый газ.
В новом исследовании группа Аристольд сосредоточилась на минералах на основе оксида железа, которые связаны с более чем одной третью органического углерода, хранящегося в почвах. В частности, команда изучала ферригидрит — тип минерала на основе оксида железа, обычно встречающийся в почвах вблизи корней растений или в почвах и отложениях с обильным количеством органического вещества.
Хотя ферригидрит в большинстве природных условий имеет положительный заряд, ему удаётся связывать самые разные органические соединения — некоторые отрицательно заряженные, некоторые положительно заряженные и некоторые нейтральные.
Чтобы понять, как это происходит, Аристольд и её команда сначала использовали молекулярное моделирование высокого разрешения и атомно-силовую микроскопию, чтобы детально изучить поверхность минерала.
Исследователи обнаружили, что, хотя общий заряд минерала положительный, его поверхность на самом деле содержит перемешанные участки с положительным и отрицательным зарядом. Это объясняет, почему ферригидрит может привлекать отрицательно заряженные частицы, такие как фосфат, и положительно заряженные частицы, такие как ионы металлов.
«Хорошо известно, что общий заряд ферригидрита в соответствующих условиях окружающей среды положителен», — говорит Аристольд. «Это привело к предположению, что только отрицательно заряженные соединения будут связываться с этими минералами, но мы знаем, что минералы могут связывать соединения как с отрицательным, так и с положительным зарядом. Наша работа показывает, что именно сумма как отрицательных, так и положительных зарядов, распределённых по поверхности, придаёт минералу общий положительный заряд».
После картирования поверхностных зарядов ферригидрита Аристольд и её команда протестировали, как молекулы связываются с ним, что позволило им напрямую связать химию поверхности с захватом углерода. Они ввели ферригидрит в органические молекулы, обычно встречающиеся в почвах, включая аминокислоты, растительные кислоты, сахара и рибонуклеотиды. Затем они измерили, сколько из этих молекул прилипло к ферригидриту, и использовали инфракрасную спектроскопию, чтобы точно определить, как каждая молекула присоединилась.
В конечном итоге команда обнаружила, что соединения связываются с ферригидритом, используя несколько стратегий. В то время как положительно заряженные аминокислоты связывались с отрицательными участками на поверхности ферригидрита, отрицательно заряженные аминокислоты связывались с положительно заряженными участками. Другие соединения, такие как рибонуклеотиды, сначала притягиваются к ферригидриту за счёт электростатического притяжения, а затем образуют гораздо более прочные химические связи с атомами железа. А сахара, которые образуют самые слабые связи, прикрепляются к минералу за счёт водородных связей.
«В совокупности наши результаты дают обоснование на количественной основе для построения основы механизмов, которые управляют минерально-органическими ассоциациями с участием оксидов железа при долгосрочном сохранении органического вещества», — говорит Аристольд. «Эти ассоциации могут помочь объяснить, почему некоторые органические молекулы остаются защищёнными в почвах, в то время как другие более уязвимы для разрушения и дыхания микробами».
Далее команда планирует изучить, что происходит после того, как органические молекулы прикрепляются к минеральным поверхностям. Некоторые соединения могут претерпевать химические превращения в продукты, доступные для дальнейшего разложения, или в ещё более стабильные продукты, которые могут быть устойчивы к разложению.