Meio ambiente

A bifurcação da natureza: o dilema da captura de carbono do solo

Santiago Ferreira

Os investigadores identificaram factores-chave que determinam se o solo retém carbono ou o liberta como CO2, destacando o papel das interacções moleculares e da química do solo, potencialmente ajudando nos esforços de mitigação das alterações climáticas. A argila esmectita (mostrada aqui) contém minerais argilosos conhecidos por sequestrar carbono em solos naturais. Crédito: Francesco Ungaro

Pesquisas recentes revelam o mecanismo pelo qual o solo captura o carbono atmosférico derivado das plantas.

Quando as moléculas de carbono das plantas chegam ao solo, elas atingem uma bifurcação definitiva no caminho.

Ou o carbono fica preso no solo durante dias ou mesmo anos, onde é efetivamente sequestrado e não entra imediatamente na atmosfera. Ou alimenta micróbios, que então respiram dióxido de carbono (CO2) para o ambiente sempre aquecido.

Num novo estudo, investigadores da Northwestern University determinaram os factores que poderiam inclinar a matéria orgânica vegetal numa direcção ou noutra.

Ao combinar experimentos de laboratório e modelagem molecular, os pesquisadores examinaram as interações entre biomoléculas de carbono orgânico e um tipo de argilomineral conhecido por reter matéria orgânica no solo. Eles descobriram que as cargas eletrostáticas, as características estruturais das moléculas de carbono, os nutrientes metálicos circundantes no solo e a competição entre as moléculas desempenham papéis importantes na capacidade (ou incapacidade) do solo de reter carbono.

As novas descobertas poderão ajudar os investigadores a prever quais os químicos do solo que são mais favoráveis ​​para a retenção de carbono – levando potencialmente a soluções baseadas no solo para abrandar as alterações climáticas causadas pelo homem.

A pesquisa foi publicada recentemente no Anais da Academia Nacional de Ciências.

“A quantidade de carbono orgânico armazenado no solo é cerca de dez vezes a quantidade de carbono na atmosfera”, disse Ludmilla Aristilde, da Northwestern, autora principal do estudo. “Se este enorme reservatório for perturbado, haverá efeitos de ondulação substanciais. Existem muitos esforços para manter o carbono preso e evitar que ele entre na atmosfera. Se quisermos fazer isso, primeiro devemos compreender os mecanismos em jogo.”

Especialista na dinâmica dos orgânicos em processos ambientais, Aristilde é professora associada de engenharia civil e ambiental na Escola de Engenharia McCormick da Northwestern. Jiaxing Wang, Ph.D. estudante do laboratório de Aristilde, é o primeiro autor do artigo. Rebecca Wilson, estudante de graduação da Northwestern, é a segunda autora do artigo.

Argila comum

Com 2,5 bilhões de toneladas de carbono sequestrado, o solo é um dos maiores sumidouros de carbono da Terra — perdendo apenas para o oceano. Mas embora o solo esteja à nossa volta, os investigadores estão apenas começando a compreender como ele retém o carbono para sequestrá-lo do ciclo do carbono.

Para investigar esse processo, Aristilde e sua equipe procuraram a argila esmectita, um tipo de argilomineral conhecido por sequestrar carbono em solos naturais. Em seguida, eles examinaram como a superfície do mineral argiloso se ligava a dez biomoléculas diferentes – incluindo aminoácidosaçúcares relacionados à celulose e ácidos fenólicos relacionados à lignina – com química e estruturas variadas.

“Decidimos estudar esse mineral argiloso porque ele está em toda parte”, disse Aristilde. “Quase todos os solos contêm minerais argilosos. Além disso, as argilas são predominantes em climas semiáridos e temperados – regiões que sabemos que serão afetadas pelas alterações climáticas.”

Os opostos se atraem

Aristilde e sua equipe analisaram primeiro as interações entre minerais argilosos e biomoléculas individuais. Como os argilominerais têm carga negativa, as biomoléculas com componentes carregados positivamente (lisina, histidina e treonina) experimentaram a ligação mais forte. Mas, curiosamente, esta ligação não foi determinada apenas por cargas eletrostáticas. Usando modelagem computacional 3D, os pesquisadores descobriram que a estrutura das biomoléculas também desempenhou um papel.

“Há casos em que duas moléculas têm carga positiva, mas uma interage melhor com a argila do que a outra”, disse Aristilde. “É porque as características estruturais da encadernação também são importantes. Uma molécula deve ser flexível o suficiente para adotar um arranjo estrutural que possa se posicionar de forma a alinhar seus componentes carregados positivamente com a argila. A lisina, por exemplo, tem um braço longo com carga positiva que pode usar para se ancorar.”

Uma pequena ajuda de amigos

Seguindo esta lógica, pode-se supor que as biomoléculas com carga negativa não foram capazes de se ligar à argila. Mas Aristilde e a sua equipa descobriram que os nutrientes metálicos naturais circundantes poderiam intervir. Metais carregados positivamente, como magnésio e cálcio, formaram uma ponte entre as biomoléculas carregadas negativamente e os minerais argilosos para criar uma ligação.

“Mesmo com uma biomolécula que normalmente não se liga à argila, vimos um aumento significativo na ligação quando o magnésio estava presente”, disse Aristilde. “Portanto, os constituintes metálicos naturais do solo podem facilitar a captura de carbono. Embora este seja um fenômeno amplamente divulgado, lançamos luz sobre as estruturas e mecanismos.”

Misture e misture

Ao estudar as interações entre biomoléculas individuais e minerais argilosos, os pesquisadores descobriram que a ligação era previsível e direta. Para obter informações mais alinhadas com os ambientes do mundo real, Aristilde e sua equipe misturaram as diferentes biomoléculas.

“Sabemos que diferentes tipos de biomoléculas no ambiente existem juntos”, disse Aristilde. “Então, também fizemos experimentos com uma mistura de biomoléculas.”

Embora os pesquisadores inicialmente pensassem que as biomoléculas competiriam entre si para interagir com a argila, em vez disso descobriram comportamentos inesperados. Numa reviravolta surpreendente, mesmo biomoléculas carregadas positivamente com estruturas flexíveis foram inibidas de se ligarem aos minerais argilosos. Embora se ligassem facilmente à argila quando sozinhas, o desejo das biomoléculas de se ligarem umas às outras parece substituir a sua atração pela argila.

“Isso não foi mostrado antes”, disse Aristilde. “A energia de atração entre duas biomoléculas era na verdade maior do que a energia de atração de uma biomolécula pela argila. Isso levou a uma diminuição na adsorção. Isso muda a maneira como pensamos sobre como as moléculas competem na superfície. Eles não estão competindo apenas por locais de ligação na superfície. Eles podem realmente atrair um ao outro.”

Qual é o próximo

A seguir, Aristilde e sua equipe pretendem examinar como as biomoléculas interagem com os minerais em solos encontrados em regiões mais quentes, incluindo climas tropicais. Num outro projeto relacionado, pretendem explorar como a matéria orgânica é transportada nos rios e outros sistemas hídricos.

“Agora que estudamos os argilominerais encontrados principalmente em zonas temperadas, queremos entender outros tipos de minerais”, disse Aristilde. “Como eles prendem a matéria orgânica? Os processos são iguais ou diferentes? Se quisermos manter o carbono preso no solo, então precisamos entender como tudo é montado e como essa montagem afeta a acessibilidade aos micróbios.”

O estudo foi apoiado pela National Science Foundation (prêmio número CBET-1653092).

Santiago Ferreira é o diretor do portal Naturlink e um ardente defensor do ambiente e da conservação da natureza. Com formação académica na área das Ciências Ambientais, Santiago tem dedicado a maior parte da sua carreira profissional à pesquisa e educação ambiental. O seu profundo conhecimento e paixão pelo ambiente levaram-no a assumir a liderança do Naturlink, onde tem sido fundamental na direção da equipa de especialistas, na seleção do conteúdo apresentado e na construção de pontes entre a comunidade online e o mundo natural.

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