Los minerales de óxido de hierro son conocidos desde hace años por su capacidad para almacenar grandes cantidades de carbono, evitando que este se libere a la atmósfera. Un nuevo estudio de la Universidad de Northwestern explica ahora la química detrás de esta habilidad, revelando por qué estos minerales son especialmente efectivos para fijar el carbono.
Mediante un análisis exhaustivo de la ferrihidrita, un mineral de óxido de hierro común, los ingenieros descubrieron que este se basa en varios procesos químicos distintos para capturar y retener carbono. En lugar de utilizar un único método, el mineral emplea múltiples estrategias que le permiten unirse a muchos tipos diferentes de materia orgánica.
Aunque la ferrihidrita posee una carga eléctrica global positiva, los investigadores encontraron que su superficie está lejos de ser uniforme. En cambio, está compuesta por pequeñas regiones con cargas tanto positivas como negativas. Esta estructura irregular permite que la ferrihidrita interactúe con el carbono de más maneras de las que se comprendía anteriormente. Además de la atracción eléctrica, el mineral forma enlaces químicos y puentes de hidrógeno que crean fuertes conexiones entre su superficie y las moléculas orgánicas.
En conjunto, estos mecanismos hacen que los minerales de óxido de hierro sean fijadores de carbono altamente adaptables. Pueden capturar una amplia gama de compuestos orgánicos y retenerlos durante largos períodos, a veces durante décadas o incluso siglos. Este proceso ayuda a prevenir que el carbono vuelva a entrar en la atmósfera como gases de efecto invernadero que contribuyen al calentamiento global.
Los hallazgos fueron publicados en la revista Environmental Science & Technology y ofrecen la visión más detallada hasta la fecha de la química superficial de la ferrihidrita, un factor clave en la forma en que los suelos almacenan carbono.
«Los minerales de óxido de hierro son importantes para controlar la preservación a largo plazo del carbono orgánico en los suelos y sedimentos marinos», afirmó Ludmilla Aristilde, de Northwestern, quien dirigió el estudio. «El destino del carbono orgánico en el medio ambiente está estrechamente ligado al ciclo global del carbono, incluida la transformación de la materia orgánica en gases de efecto invernadero. Por lo tanto, es importante comprender cómo los minerales atrapan la materia orgánica, pero la evaluación cuantitativa de cómo los óxidos de hierro atrapan diferentes tipos de materia orgánica a través de diferentes mecanismos de unión ha sido hasta ahora inexistente.»
Aristilde es profesora de ingeniería civil y ambiental en la McCormick School of Engineering de Northwestern y estudia cómo se comportan los materiales orgánicos en los sistemas ambientales. También está afiliada al International Institute for Nanotechnology, al Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy y al Center for Synthetic Biology. Jiaxing Wang fue el primer autor del estudio, con Benjamin Barrios Cerda como segundo autor. Ambos son investigadores postdoctorales en el laboratorio de Aristilde.
El suelo como uno de los mayores sumideros de carbono de la Tierra
El suelo almacena aproximadamente 2.500 mil millones de toneladas de carbono, lo que lo convierte en uno de los mayores reservorios de carbono del planeta, superado únicamente por el océano. A pesar de su importancia, los científicos aún están desentrañando los procesos exactos que permiten al suelo eliminar el carbono del ciclo activo del carbono y mantenerlo bajo tierra.
Aristilde y su equipo han dedicado años a estudiar cómo los minerales y los microbios del suelo influyen en si el carbono permanece atrapado o se libera de nuevo a la atmósfera. Su trabajo anterior examinó cómo los minerales de arcilla se unen a la materia orgánica y cómo los microbios convierten preferentemente ciertos compuestos orgánicos en dióxido de carbono.
En esta última investigación, el equipo se centró en los minerales de óxido de hierro, que están relacionados con más de un tercio del carbono orgánico que se encuentra en los suelos. Se concentraron en la ferrihidrita, un mineral que se encuentra comúnmente cerca de las raíces de las plantas y en suelos o sedimentos ricos en materia orgánica. A pesar de que la ferrihidrita a menudo aparece con carga positiva en condiciones ambientales, puede unirse a compuestos orgánicos con cargas negativas, positivas o neutras.
Cómo se adhieren las moléculas a los minerales de hierro
Para comprender cómo la ferrihidrita interactúa con una amplia gama de compuestos, los investigadores utilizaron modelado molecular de alta resolución junto con microscopía de fuerza atómica para examinar de cerca la superficie del mineral. Si bien su carga general es positiva, confirmaron que la superficie contiene una mezcla de regiones positivas y negativas. Esto ayuda a explicar por qué la ferrihidrita puede atraer sustancias cargadas negativamente como el fosfato, así como iones metálicos cargados positivamente.
«Está bien documentado que la carga general de la ferrihidrita es positiva en condiciones ambientales relevantes», dijo Aristilde. «Esto ha llevado a la suposición de que solo los compuestos cargados negativamente se unirán a estos minerales, pero sabemos que los minerales pueden unirse a compuestos con cargas tanto negativas como positivas. Nuestro trabajo ilustra que es la suma de las cargas negativas y positivas distribuidas en la superficie lo que le confiere al mineral su carga general positiva.»
Después de mapear las cargas superficiales, el equipo probó cómo diferentes moléculas orgánicas interactúan con la ferrihidrita. Expusieron el mineral a compuestos que se encuentran comúnmente en el suelo, incluidos aminoácidos, ácidos vegetales, azúcares y ribonucleótidos. Los investigadores midieron la cantidad de cada compuesto que se adhería al mineral y utilizaron espectroscopía infrarroja para determinar cómo se unían las moléculas.
Más que una simple atracción
Los experimentos revelaron que la ferrihidrita une moléculas orgánicas a través de varias vías distintas. Los aminoácidos con carga positiva se unen a las áreas con carga negativa del mineral, mientras que los aminoácidos con carga negativa se unen a las regiones con carga positiva. Algunos compuestos, como los ribonucleótidos, inicialmente se atraen por fuerzas eléctricas, pero luego forman enlaces químicos más fuertes con los átomos de hierro. Los azúcares, que se unen más débilmente, se unen a través de enlaces de hidrógeno.
«En conjunto, nuestros hallazgos proporcionan una justificación, sobre una base cuantitativa, para construir un marco para los mecanismos que impulsan las asociaciones mineral-orgánicas que involucran óxidos de hierro en la preservación a largo plazo de la materia orgánica», dijo Aristilde. «Estas asociaciones pueden ayudar a explicar por qué algunas moléculas orgánicas permanecen protegidas en los suelos, mientras que otras son más vulnerables a la descomposición y la respiración por parte de los microbios.»
A continuación, los investigadores planean estudiar lo que sucede después de que las moléculas orgánicas se unen a las superficies minerales. Algunas pueden transformarse en compuestos que los microbios pueden descomponer aún más, mientras que otras podrían volverse aún más resistentes a la descomposición.
El estudio, «Surface charge heterogeneity and mechanisms of organic binding modes on an iron oxyhydroxide», fue apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU. y el International Institute for Nanotechnology.
