Ученые из Северо-Западного университета США выяснили, почему минералы оксида железа так эффективно удерживают углерод в почве, не позволяя ему попадать в атмосферу. Новое исследование детально описывает химические процессы, которые делают эти минералы своего рода «ловушками» для углерода, что имеет ключевое значение для понимания глобального углеродного цикла и борьбы с изменением климата.
В центре внимания исследователей оказался ферригидрит – распространенный наноминерал оксида железа. Инженеры обнаружили, что он использует не один, а сразу несколько различных механизмов для захвата и удержания органических веществ. Вместо одного универсального способа минерал применяет целый арсенал стратегий, который позволяет ему связывать самые разные типы органического материала, сохраняя их в почве на десятилетия и даже столетия.
Главный секрет ферригидрита кроется в неоднородности его поверхности. Хотя в целом минерал несет положительный электрический заряд, его поверхность представляет собой мозаику из крошечных участков как с положительным, так и с отрицательным зарядом. Такая «пятнистая» структура позволяет ему взаимодействовать с углеродом гораздо большим количеством способов, чем считалось ранее. Помимо простого электростатического притяжения, минерал формирует прочные химические и водородные связи, которые надежно прикрепляют органические молекулы к его поверхности.
«Минералы оксида железа играют важную роль в долгосрочном сохранении органического углерода в почвах и морских отложениях, – объясняет руководитель исследования Людмила Аристильд. – Судьба органического углерода в окружающей среде тесно связана с глобальным углеродным циклом, включая преобразование органического вещества в парниковые газы. Поэтому важно понимать, как минералы улавливают органику, но до сих пор количественной оценки различных механизмов связывания не существовало».
Благодаря своей универсальности оксиды железа способны улавливать широкий спект супермаркет органических соединений. Почва является одним из крупнейших резервуаров углерода на планете, уступая лишь океану, и оксиды железа связаны с сохранением более трети всего органического углерода в почвах. Эти процессы помогают предотвратить возвращение углерода в атмосферу в виде парниковых газов, которые способствуют глобальному потеплению.
Используя молекулярное моделирование высокого разрешения и атомно-силовую микроскопию, команда Аристильд смогла не только составить карту зарядов на поверхности ферригидрита, но и проверить, как с ним взаимодействуют различные органические молекулы, включая аминокислоты, сахара и растительные кислоты. Результаты, опубликованные в журнале «Environmental Science & Technology», предоставляют самое детальное на сегодняшний день представление о химии поверхности ферригидрита и его роли в хранении углерода. В дальнейшем ученые планируют изучить, что происходит с органическими молекулами уже после их связывания с поверхностью минералов.
