Os cientistas sabem há muitos anos que os minerais de óxido de ferro ajudam a armazenar uma enorme quantidade de carbono, impedindo-o de entrar na atmosfera. Uma nova investigação da Northwestern University explica agora a química por detrás desta capacidade, mostrando porque é que estes minerais são particularmente eficazes na fixação de carbono.
Depois de examinar de perto 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 utiliza múltiplas estratégias que lhe permitem ligar muitos tipos diferentes de materiais orgânicos.
Embora a ferriidrita carregue uma carga elétrica geral positiva, os pesquisadores descobriram que sua superfície está longe de ser uniforme. Em vez disso, consiste em pequenas regiões de carga positiva e negativa. Esta estrutura irregular permite que a ferriidrita interaja com o carbono de mais maneiras do que os cientistas pensavam anteriormente. Além da atração elétrica, um mineral forma ligações químicas e de hidrogênio que criam fortes ligações entre sua superfície e as moléculas orgânicas.
Juntos, esses mecanismos tornam os minerais de óxido de ferro ligantes de carbono altamente adaptáveis. Eles podem capturar uma ampla gama de compostos orgânicos e retê-los por longos períodos de tempo, às vezes décadas ou até séculos. Este processo ajuda a evitar que o carbono retorne à atmosfera como gases de efeito estufa que contribuem para o aquecimento climático.
Os resultados foram publicados na revista Ciências e tecnologias ambientais e oferecem a visão mais detalhada sobre a química superficial da ferriidrita, que é um fator chave na forma como o solo armazena carbono.
“Os minerais de óxido de ferro são importantes para controlar o armazenamento a longo prazo de carbono orgânico nos solos e sedimentos marinhos”, disse Ludmila Aristilda, da Northwestern, que liderou o estudo. “O destino do carbono orgânico no ambiente está intimamente relacionado com o ciclo global do carbono, incluindo a conversão da matéria orgânica em gases com efeito de estufa. Portanto, é importante compreender como os minerais retêm a matéria orgânica, mas falta uma avaliação quantitativa de como os óxidos de ferro retêm diferentes tipos de matéria orgânica através de diferentes mecanismos de ligação.”
Aristilda é professora de engenharia civil e ambiental na Escola de Engenharia McCormick da Northwestern e estuda como os materiais orgânicos se comportam em sistemas ecológicos. Ela também colabora com o Instituto Internacional de Nanotecnologia, o Instituto Paula M. Trinens para Desenvolvimento Sustentável e Energia e o Centro de Biologia Sintética. Jiaxing Wang foi o primeiro autor do estudo e Benjamin Barrios Cerdo foi o segundo autor. Ambos são estudantes de doutorado no laboratório de Aristilda.
O solo é um dos maiores sumidouros de carbono da Terra
O solo armazena cerca de 2,5 bilhões de toneladas de carbono, tornando-o um dos maiores reservatórios de carbono do planeta, perdendo apenas para o oceano. Apesar dessa importância, os cientistas ainda estão desvendando os processos exatos que permitem ao solo retirar o carbono do ciclo do carbono ativo e armazená-lo no subsolo.
Aristilde e a sua equipa passaram anos a estudar como os minerais e os micróbios do solo afetam a retenção ou a libertação do carbono na atmosfera. Seu trabalho anterior explorou como os minerais argilosos se ligam à matéria orgânica e como os micróbios convertem preferencialmente certos compostos orgânicos em dióxido de carbono.
Neste último estudo, a equipe concentrou-se nos minerais de óxido de ferro, que estão associados a mais de um terço do carbono orgânico encontrado no solo. Eles se concentraram na ferriidrita, um mineral comumente encontrado próximo às raízes das plantas e em solos ou sedimentos ricos em materiais orgânicos. Embora a ferriidrita muitas vezes pareça carregada positivamente em condições ambientais, ela pode ligar compostos orgânicos com carga negativa, positiva ou neutra.
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 juntamente com microscopia de força atômica para examinar de perto 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 o fosfato, bem como íons metálicos com carga positiva.
“Está bem documentado que a carga global de ferriidrita é positiva sob condições ambientais adequadas”, disse Aristilde. “Isso levou à suposição de que apenas compostos com carga negativa se ligariam a esses minerais, mas sabemos que os minerais podem ligar compostos com cargas negativas e positivas. Nosso trabalho mostra que é a soma das cargas negativas e positivas distribuídas pela superfície que dá ao mineral sua carga positiva geral.”
Depois de mapear as cargas superficiais, a equipe testou como diferentes moléculas orgânicas interagiam com a ferriidrita. Eles expuseram o mineral a compostos comumente encontrados no solo, incluindo aminoácidos, ácidos vegetais, açúcares e ribonucleotídeos. Os pesquisadores mediram quanto de cada composto aderiu ao mineral e usaram espectroscopia infravermelha para determinar como as moléculas se fixaram.
Mais do que apenas atração
Experimentos mostraram que a ferriidrita se liga às moléculas orgânicas de várias maneiras diferentes. Aminoácidos carregados positivamente se ligam a áreas carregadas negativamente do mineral, enquanto aminoácidos carregados negativamente se ligam a áreas carregadas positivamente. Alguns compostos, como os ribonucleotídeos, são inicialmente atraídos por forças elétricas, mas depois formam ligações químicas mais fortes com átomos de ferro. O açúcar, que se liga mais fracamente, é ligado através de uma ligação de hidrogénio.
“Em conjunto, nossas descobertas fornecem uma justificativa quantitativa para a construção de uma estrutura para os mecanismos que impulsionam as associações mineral-orgânicas envolvendo óxidos de ferro na preservação da matéria orgânica a longo prazo”, disse Aristilde. “Essas associações podem ajudar a explicar por que algumas moléculas orgânicas permanecem protegidas no solo, enquanto outras são mais vulneráveis à degradação microbiana e à respiração”.
A seguir, os pesquisadores planejam estudar o que acontece depois que as moléculas orgânicas se ligam às superfícies minerais. Alguns podem ser convertidos em compostos que os micróbios podem decompor ainda mais, enquanto outros podem tornar-se ainda mais resistentes à decomposição.
A pesquisa “Heterogeneidade de carga superficial e mecanismos de modos de ligação orgânica em oxi-hidróxido de ferro” foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA e pelo Instituto Internacional de Nanotecnologia.
