به گزارش تجارت نیوز، در حالی که جهان به دنبال راههایی برای کاهش کربن اتمسفر و مهار تغییرات اقلیمی است، طبیعت مدتهاست یک سیستم ذخیرهسازی مؤثر در اختیار دارد: خاکهای غنی از آهن. این خاکها در سکوت، میلیاردها تُن کربن را در خود حبس کرده و برای قرنها از جو زمین دور نگه میدارند. اما مکانیزم دقیق این فرایند شیمیایی تا امروز بهطور کامل مشخص نبود.
اکنون دانشمندان دانشگاه نورثوِسترن آمریکا موفق شدهاند راز مولکولی این پدیده را کشف کنند. آنها نشان دادهاند که ماده معدنی معروفی به نام فِریهیدریت (Ferrihydrite) یکی از اکسیدهای رایج آهن در خاک از ترکیبی از بارهای سطحی ناهمگون و پیوندهای شیمیایی قوی برای به دام انداختن کربن استفاده میکند. این کشف جدید، درک ما از نقش خاکها در چرخه جهانی کربن را عمیقتر میکند.
خاکها دومین مخزن عظیم کربن روی زمین
خاک، تنها بستری برای روییدن گیاهان نیست؛ بلکه یکی از بزرگترین مخازن کربن طبیعی در سیاره است. بر اساس دادههای علمی، خاکهای زمین در مجموع حدود ۲۵۰۰ میلیارد تُن کربن در خود ذخیره کردهاند رقمی که تنها پس از اقیانوسها در جایگاه دوم قرار میگیرد.
محققان سالها میدانستند که آهن در این ذخیرهسازی نقش کلیدی دارد، اما نمیدانستند چطور میتواند چنین طیف گستردهای از ترکیبات آلی را با قدرت نگه دارد. مطالعه دانشگاه نورثوسترن اکنون نشان میدهد که پاسخ در ساختار پیچیده سطح ذرات آهن نهفته است.
فریهیدریت؛ سطحی با بارهای متضاد در مقیاس نانو
در نگاه نخست، فریهیدریت مادهای ساده به نظر میرسد. این ماده معدنی در بیشتر محیطها دارای بار الکتریکی مثبت کلی است، و برای سالها فرض میشد که تنها میتواند مولکولهای با بار منفی را جذب کند. اما بررسی با میکروسکوپ نیروی اتمی و مدلسازی مولکولی دقیق نشان داد که سطح فریهیدریت بههیچوجه یکنواخت نیست.
بهگفته لودمیلا آریستیلد، رهبر این پژوهش: «سطح فریهیدریت مانند یک موزاییک از لکههای مثبت و منفی در مقیاس نانومتری است. مجموع این بارهای پراکنده، در نهایت به ماده معدنی بار مثبت کلی میدهد.»
این ناهمگونی باعث میشود فریهیدریت بتواند هم مولکولهای دارای بار مثبت و هم منفی را همزمان به دام اندازد. توضیحی برای اینکه چرا این خاکها چنین ظرفیت بالایی در جذب کربن دارند.
آزمایش با مولکولهای واقعی خاک
تیم تحقیقاتی برای بررسی واقعبینانهتر، فریهیدریت را در معرض ترکیبات آلی طبیعی قرار داد: اسیدهای آمینه، اسیدهای گیاهی، قندها و ریبونوکلئوتیدها موادی که معمولا در مواد آلی خاک یافت میشوند.
با استفاده از طیفسنجی مادون قرمز (IR Spectroscopy) و اندازهگیری چسبندگی مولکولها، دانشمندان دریافتند که هر نوع ماده آلی از مسیر متفاوتی برای اتصال به فریهیدریت استفاده میکند:
- اسیدهای آمینه مثبت به نواحی دارای بار منفی سطح جذب شدند.
- اسیدهای آمینه منفی به نقاط مثبت سطح متصل شدند.
- قندها با پیوندهای هیدروژنی ضعیفتر اما پایدارتر متصل شدند.
- ریبونوکلئوتیدها ابتدا بهوسیله نیروهای الکترواستاتیکی جذب شدند و سپس پیوندهای شیمیایی مستقیم با اتمهای آهن تشکیل دادند.
به گفته آریستیلد، این تنوع در سازوکارهای اتصال، کلید درک عملکرد بلندمدت خاکها بهعنوان مخزن کربن است. برخی ترکیبات آلی در این فرآیند قفل میشوند و برای قرنها باقی میمانند، در حالی که برخی دیگر، در صورت دسترسی میکروبها، سریعتر تجزیه میشوند.
فراتر از جاذبه الکترواستاتیکی؛ شیمیِ پیچیده حفظ کربن
این مطالعه نشان میدهد که جذب کربن در خاک صرفاً بر پایه جاذبه الکترواستاتیکی نیست، بلکه شامل پیوندهای شیمیایی واقعی میان اتمهای آهن و مولکولهای آلی است. این پیوندهای پایدار، دلیلی است که چرا حتی پس از گذشت چند قرن، کربن در لایههای خاک باقی میماند.
آریستیلد توضیح میدهد: «مواد معدنی اکسید آهن در حفظ طولانیمدت کربن آلی در خاک و رسوبات نقش حیاتی دارند. سرنوشت کربن آلی در محیط زیست بهشدت با چرخه جهانی کربن و میزان گازهای گلخانهای ارتباط دارد. درک چگونگی این تعاملها، برای پیشبینی آینده اقلیم و طراحی راهکارهای مهار تغییرات اقلیمی حیاتی است.»
مرحله بعدی پژوهش؛ پایداری شیمیایی کربن در خاک
این تیم تحقیقاتی قصد دارد در مرحله بعد، بررسی کند که پس از اتصال ترکیبات آلی به فریهیدریت چه اتفاقی میافتد: آیا این ترکیبات به اشکال پایدارتر و مقاومتر در برابر تجزیه تبدیل میشوند یا در طول زمان دگرگون و آسیبپذیرتر میگردند؟
نتایج این بخش از پژوهش در مجله معتبر Environmental Science & Technology منتشر خواهد شد و میتواند کمک کند تا مدلهای اقلیمی دقیقتری برای پیشبینی چرخه کربن در سیاره زمین ساخته شود.
کشف جدید دانشگاه نورثوسترن، درکی تازه از چگونگی عملکرد طبیعی خاکها در ذخیرهسازی کربن ارائه میدهد. حالا میدانیم که سطح مواد معدنی آهن نهتنها دارای بار و شکلی ثابت نیست، بلکه مانند یک شبکه پیچیده از بارها و پیوندهای شیمیایی عمل میکند که کربن را قرنها در زمین نگه میدارد. این کشف نهتنها توضیح میدهد چرا خاک دومین مخزن بزرگ کربن روی زمین است، بلکه میتواند راه را برای توسعه فناوریهای الهامگرفته از طبیعت برای جذب و ذخیره کربن در آینده باز کند.
