Os cientistas sabem há anos que os minerais de óxido de ferro ajudam a armazenar grandes quantidades de carbono, mantendo-os fora da atmosfera. Um novo estudo da Universidade Northwestern explica agora a química por detrás dessa capacidade, revelando porque é que estes minerais são particularmente eficazes na retenção de carbono.
Ao examinar de perto a ferriidrita, um mineral comum de óxido de ferro, os engenheiros descobriram que ela depende de vários processos químicos distintos para capturar e reter carbono. Em vez de usar um único mecanismo, o mineral emprega múltiplas estratégias que lhe permitem ligar uma variedade 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 com cargas positivas e negativas. Esta estrutura irregular 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 ligações de hidrogênio que formam fortes conexões entre suas superfícies e moléculas orgânicas.
Juntos, esses processos 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 durando décadas ou até séculos. Este processo evita que o carbono entre novamente na atmosfera como um gás de efeito estufa que contribui para o aquecimento climático.
Os resultados foram publicados na revista Ciência e Tecnologia Ambiental e oferece a visão mais detalhada da química superficial da ferriidrita, um fator chave na forma como os solos armazenam carbono.
“Os minerais de óxido de ferro são importantes para controlar o armazenamento a longo prazo de carbono orgânico no solo e nos sedimentos marinhos”, disse Ludmila Aristield, da Northwestern, que liderou o estudo. “O destino do carbono orgânico no meio ambiente está intimamente ligado ao ciclo global do carbono, que inclui a conversão da matéria orgânica em gases de efeito estufa. Portanto, é importante compreender como os minerais retêm a matéria orgânica, mas foi perdida uma avaliação quantitativa de como os óxidos de ferro retêm diferentes tipos de matéria orgânica através de diferentes ligações.”
Aristilde é professora de engenharia civil e ambiental na Escola de Engenharia McCormick da Northwestern e estuda como a matéria orgânica se comporta em sistemas ecológicos. É também do Instituto Internacional de Nanotecnologia, Paula M. Triance é afiliada ao Instituto de Sustentabilidade e Energia e ao Centro de Biologia Sintética. Jiaxing Wang foi o primeiro autor do estudo, com Benjamin Barrios Cerda como segundo autor. Ambos são associados de pós-doutorado no laboratório de Aristilde.
O solo como um dos maiores sumidouros de carbono do planeta
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 os oceanos. Apesar da sua importância, os cientistas ainda estão a desvendar os mecanismos exatos que permitem ao solo remover o carbono do ciclo do carbono ativo e armazená-lo no subsolo.
Aristilde e a sua equipa estudaram durante anos como os minerais e os micróbios do solo afetam a retenção ou a libertação do carbono na atmosfera. Seu trabalho anterior examinou 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 matéria orgânica. Embora a ferriidrita muitas vezes pareça carregada positivamente sob 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 com microscopia de força atômica para examinar de perto a superfície do mineral. Embora a sua carga global seja positiva, confirmaram que a superfície tem 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 relevantes”, disse Aristilde. “Isto levou à hipótese de que apenas compostos carregados negativamente se ligariam a estes minerais, mas sabemos que os minerais podem ligar compostos com cargas negativas e positivas. O nosso trabalho explica que é a soma de cargas negativas e positivas distribuídas pela superfície que dá ao mineral a sua carga positiva global.”
Depois de mapear a carga superficial, a equipe examinou como diferentes moléculas orgânicas interagiam com a ferriidrita. Eles expressam o mineral em compostos comumente encontrados no solo, incluindo aminoácidos, ácidos vegetais, açúcares e ribonucleotídeos. Os pesquisadores mediram o quão bem cada composto aderiu ao mineral e usaram espectroscopia infravermelha para determinar como as moléculas estavam ligadas.
Mais que simples atração
Experimentos revelaram que a ferriidrita se liga às biomoléculas através de várias vias distintas. Os aminoácidos com carga positiva ligam-se às regiões com carga negativa do mineral, enquanto os aminoácidos com carga negativa se ligam às regiões com carga positiva. Alguns compostos, como os ribonucleotídeos, são inicialmente atraídos por forças elétricas, mas depois formam fortes ligações químicas com átomos de ferro. Os açúcares, que se ligam de forma mais fraca, ligam-se através de ligações de hidrogénio.
“Coletivamente, nossas descobertas fornecem uma justificativa, numa base quantitativa, para a construção de uma estrutura para os mecanismos que impulsionam as associações mineral-orgânicas envolvendo óxidos de ferro na preservação a longo prazo da matéria orgânica”, disse Aristilde. “Essas associações podem ajudar a explicar por que algumas biomoléculas estão protegidas no solo, enquanto outras são mais vulneráveis a serem decompostas e inaladas por micróbios”.
A seguir, os pesquisadores planejam estudar o que acontece depois que as biomoléculas se ligam à superfície mineral. Alguns podem ser convertidos em compostos que os micróbios podem decompor ainda mais, enquanto outros podem tornar-se mais resistentes à decomposição.
A pesquisa, “Variação de carga superficial e mecanismo de modos de ligação orgânica em um oxi-hidróxido de ferro”, foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA e pelo Instituto Internacional de Nanotecnologia.
