Thành phần hóa học của khoáng sắt giải thích cách đất giữ lại carbon

Bằng cách kết hợp các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm với mô hình lý thuyết, Ludmilla Aristilde (bên phải) và nhóm của cô đã dành nhiều năm nghiên cứu khoáng chất và vi sinh vật sống trong đất với mục tiêu xác định các yếu tố khiến đất giữ hoặc giải phóng carbon.

Trong khi các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng các oxit sắt giúp giữ lại một lượng lớn carbon - cô lập nó khỏi khí quyển - một nghiên cứu mới của Đại học Northwestern giờ đây đã tiết lộ chính xác lý do tại sao những khoáng chất này lại là những bẫy carbon mạnh mẽ đến vậy.

Bằng cách nghiên cứu về khoáng oxit sắt ngậm nước (ferrihydrite), một khoáng chất oxit sắt phổ biến trong tự nhiên, các kỹ sư đã phát hiện ra nó sử dụng nhiều chiến lược hóa học khác nhau về cơ bản để thu carbon và giữ chặt nó.

Mặc dù ferrihydrite có điện tích dương tổng thể, các kỹ sư nhận thấy bề mặt của nó không được tích điện đồng đều. Thay vào đó, bề mặt này giống như một bức khảm nano gồm các mảng tích điện dương và âm. Và ferrihydrite không chỉ giữ carbon bằng lực hút tĩnh điện. Nó cũng sử dụng liên kết hóa học và liên kết hydro để tạo thành các liên kết hóa học mạnh mẽ giữa bề mặt và các vật liệu hữu cơ.

Những chiến lược bất ngờ này biến các oxit sắt thành những chất hấp thụ carbon cực kỳ linh hoạt, có khả năng nắm bắt và giữ chặt nhiều loại phân tử hữu cơ khác nhau. Phát hiện này cung cấp cái nhìn sâu sắc mới về cách các khoáng chất này giữ carbon trong đất trong nhiều thập kỷ hoặc thậm chí nhiều thế kỷ, ngăn không cho nó xâm nhập vào khí quyển dưới dạng khí nhà kính gây nóng lên toàn cầu.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Environmental Science & Technology. Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn chi tiết nhất từ ​​trước đến nay về hóa học bề mặt của ferrihydrite, một loại khoáng chất oxit sắt quan trọng.

Theo Ludmilla Aristilde, một chuyên gia về động lực học của chất hữu cơ trong các quá trình môi trường tại Đại học Northwestern, cho biết “Các dạng khoáng oxit sắt rất quan trọng trong việc kiểm soát sự bảo tồn lâu dài của carbon hữu cơ trong đất và trầm tích biển. Số phận của carbon hữu cơ trong môi trường liên quan chặt chẽ đến chu trình carbon toàn cầu, bao gồm cả sự chuyển hóa chất hữu cơ thành khí nhà kính. Do đó, điều quan trọng là phải hiểu cách các khoáng chất giữ lại chất hữu cơ, nhưng việc đánh giá định lượng về cách oxit sắt giữ lại các loại chất hữu cơ khác nhau thông qua cơ chế liên kết khác nhau vẫn còn thiếu”.

Giữ carbon bằng hình thức chôn vùi

Chứa khoảng 2.500 tỷ tấn carbon được lưu trữ, đất là một trong những bể chứa carbon lớn nhất của Trái đất - chỉ đứng sau đại dương. Nhưng mặc dù đất có ở khắp mọi nơi xung quanh chúng ta, các nhà khoa học chỉ mới bắt đầu hiểu được cách nó giữ carbon để loại bỏ nó khỏi chu trình carbon hoạt động.

Bằng cách kết hợp các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm với mô hình lý thuyết, Aristilde và nhóm của cô đã dành nhiều năm nghiên cứu các khoáng chất và vi sinh vật sống trong đất với mục tiêu xác định các yếu tố khiến đất giữ lại hoặc giải phóng carbon. Trong các công trình trước đây, Aristilde và nhóm của cô đã khám phá cách các khoáng chất sét liên kết chất hữu cơ và cách vi sinh vật trong đất ưu tiên chuyển hóa các chất hữu cơ không phải đường thành carbon dioxide.

Trong nghiên cứu mới, nhóm của Aristilde tập trung vào các khoáng chất oxit sắt, vốn liên quan đến hơn một phần ba lượng carbon hữu cơ được lưu trữ trong đất. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã xem xét ferrihydrite, một loại khoáng chất oxit sắt thường được tìm thấy trong đất gần rễ cây hoặc trong đất và trầm tích có nhiều chất hữu cơ. Mặc dù ferrihydrite có vẻ mang điện tích dương trong nhiều điều kiện môi trường, nhưng nó vẫn có khả năng liên kết với nhiều hợp chất hữu cơ khác nhau - một số mang điện tích âm, một số mang điện tích dương và một số trung tính.

Quan sát sự kết dính các phân tử dính

Để hiểu rõ quá trình này diễn ra như thế nào, Aristilde và nhóm của cô đã sử dụng mô hình phân tử độ phân giải cao và kính hiển vi lực nguyên tử để có cái nhìn chi tiết về bề mặt của khoáng chất. Mặc dù điện tích tổng thể của khoáng chất là dương, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng bề mặt của nó thực sự chứa các mảng điện tích dương và âm xen kẽ. Phát hiện này giải thích tại sao ferrihydrite có thể thu hút các chất mang điện tích âm như phosphat và các chất mang điện tích dương như ion kim loại.

Aristilde nhận định: “Người ta đã ghi nhận rõ ràng rằng điện tích tổng thể của ferrihydrite là dương trong điều kiện môi trường thích hợp. Điều đó đã dẫn đến giả định rằng chỉ các hợp chất mang điện tích âm mới liên kết với các khoáng chất này, nhưng chúng ta biết rằng các khoáng chất này có thể liên kết với các hợp chất mang cả điện tích âm và dương. Công trình nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng chính tổng của cả điện tích âm và dương phân bố trên bề mặt đã tạo nên điện tích dương tổng thể của khoáng chất”.

Sau khi lập bản đồ điện tích bề mặt của ferrihydrite, Aristilde và nhóm của cô đã thử nghiệm cách các phân tử liên kết với nó, cho phép kết nối trực tiếp hóa học bề mặt với khả năng giữ carbon. Họ cho ferrihydrite tiếp xúc với các phân tử hữu cơ thường thấy trong đất, bao gồm axit amin, axit thực vật, đường và ribonucleotide. Sau đó, họ đo lượng các phân tử này bám vào ferrihydrite và sử dụng quang phổ hồng ngoại để kiểm tra chính xác cách mỗi phân tử liên kết.

Hơn cả sự thu hút

Cuối cùng, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các hợp chất liên kết với ferrihydrite bằng nhiều chiến lược khác nhau. Trong khi các axit amin mang điện tích dương liên kết với các vùng mang điện tích âm trên bề mặt ferrihydrite, các axit amin mang điện tích âm lại liên kết với các vùng mang điện tích dương. Các hợp chất khác, như ribonucleotide, trước tiên bị hút vào ferrihydrite bởi lực hút tĩnh điện và sau đó tạo thành các liên kết hóa học mạnh hơn nhiều với các nguyên tử sắt. Và đường, tạo thành các liên kết yếu nhất, được gắn vào khoáng chất thông qua liên kết hydro.

Theo Aristilde: “Nhìn chung, những phát hiện của chúng tôi cung cấp cơ sở lý luận, trên cơ sở định lượng, để xây dựng khuôn khổ cho các cơ chế thúc đẩy sự liên kết khoáng chất-hữu cơ liên quan đến oxit sắt trong việc bảo tồn lâu dài chất hữu cơ. Những liên kết này có thể giúp giải thích tại sao một số phân tử hữu cơ vẫn được bảo vệ trong đất trong khi những phân tử khác dễ bị phân hủy và hô hấp bởi vi sinh vật hơn”.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự định điều tra những gì xảy ra sau khi các phân tử hữu cơ gắn vào bề mặt khoáng chất. Một số hợp chất có thể trải qua các biến đổi hóa học thành các sản phẩm có thể bị phân hủy tiếp hoặc thành các sản phẩm ổn định hơn, có khả năng chống lại sự phân hủy.

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Đại học Northwestern.