Os cientistas sabem há anos que os minerais de óxido de ferro ajudam a armazenar grandes quantidades de carbono, mantendo-o fora da atmosfera. Um novo estudo da Universidade Northwestern explica agora a química por detrás desta capacidade, revelando porque é que estes minerais são particularmente eficazes na retenção de carbono.
Ao examinar cuidadosamente a ferriidrita, um mineral comum de óxido de ferro, os engenheiros descobriram que ela depende de vários processos químicos diferentes para capturar e reter carbono. Em vez de usar um único método, o mineral emprega múltiplas estratégias que lhe permitem combinar-se com muitos tipos diferentes de materiais orgânicos.
Embora a ferriidrita tenha uma carga geral positiva, os pesquisadores descobriram que sua superfície é altamente irregular. Em vez disso, é composto por pequenas áreas com cargas positivas e negativas. Esta estrutura em forma de folha permite que a ferriidrita interaja com o carbono de mais maneiras do que os cientistas entendiam anteriormente. Além da atração elétrica, os minerais formam ligações químicas e de hidrogênio, criando fortes conexões entre suas superfícies e as moléculas orgânicas.
Juntos, esses mecanismos tornam os minerais de óxido de ferro ligantes de carbono altamente adaptáveis. Eles podem reter uma ampla gama de compostos orgânicos e retê-los por longos períodos de tempo, às vezes por décadas ou mesmo séculos. Este processo ajuda a evitar que o carbono entre novamente na atmosfera como gás de efeito estufa, causando o aquecimento climático.
Resultados de pesquisa publicados em revista Ciência e Tecnologia Ambiental E fornece a visão mais detalhada da química da superfície da ferriidrita, um fator chave na forma como o solo armazena carbono.
“Os minerais de óxido de ferro são importantes para controlar a preservação a longo prazo do carbono orgânico nos solos e sedimentos marinhos”, disse Ludmila Aristide, da Northwestern University, que liderou o estudo. “O destino do carbono orgânico no meio ambiente está intimamente ligado ao ciclo global do carbono, incluindo a conversão da matéria orgânica em gases de efeito estufa. Portanto, é importante compreender como os minerais capturam a matéria orgânica, mas falta uma avaliação quantitativa de como os óxidos de ferro capturam diferentes tipos de matéria orgânica através de diferentes mecanismos de ligação.”
Aristide, professor de engenharia civil e ambiental na Escola de Engenharia McCormick da Northwestern University, estuda o comportamento de materiais orgânicos em sistemas ambientais. Ela também é afiliada ao Instituto Internacional de Nanotecnologia, ao Instituto Paula M. Trienens de Sustentabilidade e Energia e ao Centro de Biologia Sintética. Jiaxing Wang é o primeiro autor do estudo e Benjamin Barrios Cerda é o segundo autor. Ambos eram pós-doutorandos no laboratório de Aristide.
O solo é um dos maiores sumidouros de carbono da Terra
O solo armazena cerca de 2,5 trilhões de toneladas de carbono, tornando-o um dos maiores reservatórios de carbono da Terra, perdendo apenas para os oceanos. Apesar da sua importância, os cientistas ainda estão a descobrir o processo exacto pelo qual o solo remove o carbono do ciclo do carbono activo e o mantém no subsolo.
Aristide e a sua equipa passaram anos a estudar como os minerais e os micróbios do solo influenciam se o carbono é retido ou libertado de volta para a atmosfera. Seu trabalho anterior examinou como os minerais argilosos se ligam à matéria orgânica e como os microrganismos convertem preferencialmente certos compostos orgânicos em dióxido de carbono.
Neste último estudo, a equipe concentrou-se nos minerais de óxido de ferro, responsáveis por mais de um terço do carbono orgânico encontrado no solo. Eles se concentraram na ferriidrita, um mineral comumente encontrado perto das raízes das plantas e em solos ou sedimentos ricos em matéria orgânica. Embora a ferriidrita seja normalmente carregada positivamente em condições ambientais, ela pode ligar compostos orgânicos com cargas negativas, positivas ou neutras.
Como as moléculas se ligam aos minerais de ferro
Para entender como a ferriidrita interage com uma gama tão ampla de compostos, os pesquisadores usaram modelagem molecular de alta resolução e microscopia de força atômica para examinar minuciosamente a superfície do mineral. Embora a sua carga global seja positiva, confirmaram que a superfície contém uma mistura de regiões positivas e negativas. Isso ajuda a explicar por que a ferriidrita pode atrair substâncias com carga negativa, como fosfatos, bem como íons metálicos com carga positiva.
“Há boas evidências de que a carga global de ferriidrita é positiva sob condições ambientais relevantes”, disse Aristide. “Isso levou à hipótese de que apenas compostos com carga negativa se ligariam a esses minerais, mas sabemos que esses minerais podem se ligar a compostos com carga negativa e positiva. Nosso trabalho mostra que é a soma das cargas negativas e positivas distribuídas na superfície que dá ao mineral sua carga positiva geral.”
Depois de mapear a carga superficial, a equipe testou como diferentes moléculas orgânicas interagiam com a ferriidrita. Eles expuseram os minerais a compostos comumente encontrados no solo, incluindo aminoácidos, ácidos vegetais, açúcares e ribonucleotídeos. Os pesquisadores mediram quanto de cada composto aderiu aos minerais e usaram espectroscopia infravermelha para determinar como as moléculas estavam ligadas.
Mais do que uma simples atração
Experimentos mostraram que a ferriidrita se liga a moléculas orgânicas através de vários caminhos diferentes. Os aminoácidos carregados positivamente ligam-se às áreas carregadas negativamente do mineral, e os aminoácidos carregados negativamente ligam-se às áreas carregadas positivamente. Alguns compostos, como os ribonucleotídeos, são inicialmente atraídos pela eletricidade, mas depois formam ligações químicas mais fortes com átomos de ferro. Os açúcares têm ligações fracas e mantêm-se unidos através de ligações de hidrogénio.
“No geral, nossos resultados fornecem uma base teórica quantitativa para o estabelecimento de uma estrutura mecanicista que impulsiona associações mineral-orgânicas envolvendo óxidos de ferro para a preservação a longo prazo da matéria orgânica”, disse Aristides. “Essas associações podem ajudar a explicar por que algumas moléculas orgânicas permanecem protegidas no solo, enquanto outras são mais suscetíveis à decomposição e à respiração por microrganismos”.
A seguir, os pesquisadores planejam estudar o que acontece quando as moléculas orgânicas se ligam às superfícies minerais. Alguns podem ser convertidos em compostos que os microrganismos podem decompor ainda mais, enquanto outros podem tornar-se mais difíceis de decompor.
O estudo, “Mecanismos de heterogeneidade de carga superficial e padrões de ligação orgânica de oxihidróxidos de ferro”, foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA e pelo Instituto Internacional de Nanotecnologia.
