Nuevos hallazgos arrojan luz sobre cómo el suelo secuestra carbono de origen vegetal

Cuando las moléculas de carbono de las plantas ingresan al suelo, llegan a una última bifurcación en el camino. Alternativamente, el carbono queda atrapado en el suelo durante días o incluso años, donde es efectivamente secuestrado en lugar de liberado inmediatamente a la atmósfera. O alimenta a los microbios, que luego liberan dióxido de carbono (CO₂) a un ambiente en constante calentamiento.

En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad Northwestern identificaron factores que influyen en las plantas materia orgánica en una dirección u otra.

Combinando experimentos de laboratorio y modelos moleculares, los investigadores estudiaron las interacciones entre biomoléculas de carbono orgánico y una de sus especies. minerales de arcilla conocido por retener materia orgánica en el suelo. Determinaron las características estructurales de las cargas electrostáticas. moléculas de carbonoLa competencia entre los nutrientes metálicos y las moléculas del suelo juega un papel importante en la capacidad (o incapacidad) del suelo para secuestrar carbono.

Los nuevos hallazgos podrían ayudar a los investigadores a predecir qué química del suelo es mejor para secuestrar carbono, lo que podría conducir a soluciones basadas en el suelo para frenar el cambio climático inducido por el hombre.

Artículo titulado "Acoplamiento electrostático y puentes de agua en la jerarquía de adsorción de biomoléculas en interfaces agua-arcilla" del 9 de febrero. Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

"La cantidad de carbono orgánico almacenado en el suelo es aproximadamente 10 veces mayor que la cantidad de carbono en la atmósfera", afirma Lyudmila Aristild, autora principal del estudio. "Si este gran depósito se rompiera, tendría importantes efectos dominó. Hay muchos esfuerzos para mantener el carbono fuera de la atmósfera. Si vamos a hacer eso, primero debemos comprender los mecanismos en juego".

Aristilde, experta en dinámica orgánica en procesos ambientales, es profesora asociada de ingeniería civil y ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. Jiaxing Wang, Ph.D. Alumno del laboratorio de Aristilde, primer autor del artículo. Rebecca Wilson, estudiante de la Universidad Northwestern, es la segunda autora del artículo.

arcilla ordinaria

Con 2.500 millones de toneladas de carbono secuestradas, el suelo es uno de los mayores sumideros de carbono de la Tierra, sólo superado por el océano. Aunque el suelo nos rodea por todas partes, los investigadores recién ahora están entendiendo cómo fija el carbono para separarlo del ciclo del carbono.

Para estudiar este proceso, Aristilde y su equipo buscaron arcilla esmectita, un tipo de mineral arcilloso conocido por secuestrar carbono en suelos naturales. Luego cubrieron la superficie del mineral arcilloso con diez biomoléculas diferentes, entre ellas aminoácidosLos ácidos fenólicos relacionados con los azúcares celulosa y lignina tienen diferentes propiedades químicas y estructurales.

"Decidimos estudiar este mineral arcilloso porque está en todas partes", dijo Aristilde. "Casi todos los suelos contienen minerales arcillosos. Además, las arcillas están muy extendidas en climas semiáridos y templados, zonas afectadas por el cambio climático".

Los opuestos se atraen

Aristilde y su equipo observaron por primera vez las interacciones entre los minerales arcillosos y las biomoléculas individuales. Debido a que los minerales arcillosos tienen carga negativa, las biomoléculas con componentes cargados positivamente (lisina, histidina y treonina) se unen con mayor fuerza. Pero, curiosamente, esta conexión no estaba determinada únicamente por cargas electrostáticas. Utilizando modelos computacionales 3D, los investigadores descubrieron que la estructura de las biomoléculas también desempeñaba un papel.

"Ambas moléculas tienen estados de carga positiva, pero una interactúa mejor con la arcilla que la otra", dijo Aristilde. "Porque las características estructurales de la unión también son importantes. La molécula debe ser lo suficientemente flexible como para adoptar una conformación que pueda alinear sus componentes cargados positivamente con la arcilla. Por ejemplo, la lisina tiene una a de brazos largos Carga positiva puede utilizarlo para afirmarse a sí mismo.

Un poco de ayuda de amigos

Con base en esta lógica, se puede suponer que las biomoléculas cargadas negativamente no pueden unirse a la arcilla. Pero Aristilde y su equipo descubrieron que los nutrientes metálicos naturales del medio ambiente pueden interferir. Los metales cargados positivamente, como el magnesio y el calcio, forman un puente entre las biomoléculas cargadas negativamente y los minerales arcillosos.

"Incluso un biomolécula que normalmente no se une a la arcilla, vimos un aumento significativo en la unión en presencia de magnesio”, dijo Aristilde. "Por tanto, los componentes metálicos naturales del suelo facilitan el secuestro de carbono. Aunque se trata de un fenómeno generalizado, arrojamos luz sobre las estructuras y mecanismos".

Revuelva y mezcle

Al estudiar las interacciones entre biomoléculas individuales y minerales arcillosos, los investigadores descubrieron que la unión es predecible y sencilla. Aristilde y su equipo combinaron diferentes biomoléculas para obtener información que se acerca mucho al mundo real.

"Sabemos que en el ambiente coexisten diferentes tipos de biomoléculas", dijo Aristilde. "Por eso también hicimos experimentos con una mezcla de biomoléculas".

Aunque inicialmente los investigadores pensaron que las biomoléculas competían entre sí para interactuar con la arcilla, descubrieron comportamientos inesperados. En un giro sorprendente, incluso se inhibió la unión de biomoléculas cargadas positivamente con estructuras flexibles a minerales arcillosos. Aunque se unen fácilmente a la arcilla cuando se las deja solas, el deseo de las biomoléculas de unirse entre sí parece reemplazar su atracción por la arcilla.

"Esto no se ha demostrado antes", dijo Aristilde. "La energía de atracción entre las dos biomoléculas era en realidad mayor que la energía de atracción de la biomolécula hacia la arcilla. Esto llevó a una adsorción reducida. Esto cambia la forma en que pensamos sobre cómo las moléculas compiten en una superficie. No solo compiten para los sitios de unión en la superficie. De hecho, pueden atraerse entre sí.

Que sigue

A continuación, Aristilde y su equipo planean estudiar cómo las biomoléculas interactúan con los minerales en suelos que se encuentran en regiones cálidas, incluidos los climas tropicales. En otro proyecto relacionado, pretenden estudiar cómo se transporta la materia orgánica en ríos y otros sistemas hídricos.

"Ahora que hemos estudiado los minerales arcillosos, que se encuentran principalmente en regiones templadas, queremos comprender otros tipos de minerales", dijo Aristilde. "¿Cómo capturan materia orgánica? ¿Los procesos son iguales o diferentes? Si queremos capturar carbono. sueloentonces necesitamos entender cómo se ensambla y cómo ese ensamblaje afecta la accesibilidad de los microbios".