Por que este mineral semelhante à ferrugem é um dos melhores cofres de carbono da Terra

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 método, o mineral emprega múltiplas estratégias que lhe permitem ligar muitos tipos diferentes de material orgânico.

Embora a ferriidrita carregue uma carga elétrica geral positiva, os pesquisadores descobriram que sua superfície está longe de ser uniforme. Em vez disso, é composto por 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, o mineral forma ligações químicas e ligações 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 mantê-los por longos períodos, às vezes durando décadas ou até séculos. Este processo ajuda a evitar que o carbono entre novamente na atmosfera como gases de efeito estufa que contribuem para o aquecimento climático.

As descobertas foram publicadas na revista Ciência e Tecnologia Ambiental e oferecem a visão mais detalhada da química da superfície da ferriidrita, um fator chave na forma como os solos armazenam 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 Ludmilla Aristilde, da Northwestern, que liderou o estudo. “O destino do carbono orgânico no meio ambiente está intimamente ligado ao ciclo global do carbono, incluindo a transformação da matéria orgânica em gases de efeito estufa. Portanto, é importante entender como os minerais retêm a matéria orgânica, mas falta a avaliação quantitativa de como os óxidos de ferro retêm diferentes tipos de matéria orgânica através de diferentes mecanismos de ligação.”

Aristilde é professora de engenharia civil e ambiental na Escola de Engenharia McCormick da Northwestern e estuda como os materiais orgânicos se comportam 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 foi o primeiro autor do estudo, com Benjamin Barrios Cerda como segundo autor. Ambos são associados de pós-doutorado no laboratório de Aristilde.

Solo como 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 da sua importância, os cientistas ainda estão a desvendar os processos exatos que permitem ao solo remover o carbono do ciclo do carbono ativo e mantê-lo no subsolo.

Aristilde e a sua equipa passaram anos a estudar como os minerais e os micróbios do solo influenciam se o carbono permanece preso ou é libertado de volta para a 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.

Nesta última pesquisa, a equipe concentrou-se nos minerais de óxido de ferro, que estão ligados a mais de um terço do carbono orgânico encontrado nos solos. 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 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 em condições ambientais relevantes”, disse Aristilde. “Isso levou a suposições de que apenas compostos com carga negativa se ligarão a estes minerais, mas sabemos que os minerais podem ligar compostos com cargas negativas e positivas. O nosso trabalho ilustra que é a soma de cargas negativas e positivas distribuídas pela superfície que dá ao mineral a sua carga positiva global.”

Depois de mapear as cargas superficiais, a equipe testou como diferentes moléculas orgânicas interagem 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 que simples atração

Os experimentos revelaram que a ferriidrita se liga às moléculas orgânicas através de vários caminhos distintos. Aminoácidos carregados positivamente se ligam a áreas carregadas negativamente do mineral, enquanto aminoácidos carregados negativamente se ligam a regiões carregadas positivamente. Alguns compostos, como os ribonucleotídeos, são inicialmente atraídos por forças elétricas, mas depois formam ligações químicas mais fortes com átomos de ferro. Os açúcares, que se ligam mais fracamente, ligam-se através de ligações de hidrogênio.

“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 moléculas orgânicas permanecem protegidas nos solos, enquanto outras são mais vulneráveis ​​a serem decompostas e respiradas por micróbios”.

A seguir, os pesquisadores planejam estudar o que acontece depois que as moléculas orgânicas se ligam às superfícies minerais. Alguns podem ser transformados em compostos que os micróbios podem decompor ainda mais, enquanto outros podem tornar-se ainda mais resistentes à decomposição.

O estudo, “Heterogeneidade de carga superficial e mecanismos de modos de ligação orgânica em um oxi-hidróxido de ferro”, foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA e pelo Instituto Internacional de Nanotecnologia.