Imagen de microscopio electrónico de barrido de un agregado de suelo utilizado en este estudio. Crédito: Angela Possinger, Michael Zachman, Barnaby Levin / Proporcionado
Los suelos de la Tierra contienen más de tres veces la cantidad de carbono que se encuentra en la atmósfera, pero todavía no se conocen bien los procesos que unen el carbono al suelo.
Mejorar dicha comprensión puede ayudar a los investigadores a desarrollar estrategias para secuestrar más carbono en el suelo, manteniéndolo fuera de la atmósfera donde se combina con el oxígeno y actúa como un gas de efecto invernadero.
Un nuevo estudio describe un método innovador para obtener imágenes de las interacciones físicas y químicas que secuestran carbono en el suelo a escalas casi atómicas, con algunos resultados sorprendentes.
El estudio, “Interfaces organoorgánicas y organominerales en el suelo a escala nanométrica”, se publicó el 30 de noviembre de 2020 en Comunicaciones de la naturaleza.
En esa resolución, los investigadores demostraron, por primera vez, que el carbono del suelo interactúa con los minerales y otras formas de carbono de los materiales orgánicos, como las paredes de las células bacterianas y los subproductos microbianos. Las investigaciones de imágenes anteriores solo habían apuntado a interacciones en capas entre el carbono y los minerales en los suelos.
“Si hay un mecanismo pasado por alto que puede ayudarnos a retener más carbono en los suelos, eso ayudará a nuestro clima”, dijo el autor principal Johannes Lehmann, profesor de Liberty Hyde Bailey en la Facultad de Ciencia Integrativa de las Plantas, Sección de Ciencias del Suelo y los Cultivos. en la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida. Angela Possinger Ph.D. ’19, quien era un estudiante de posgrado en el laboratorio de Lehmann y actualmente es un investigador postdoctoral en Virginia Tech University, es el primer autor del artículo.
Dado que la resolución de la nueva técnica está cerca de la escala atómica, los investigadores no están seguros de qué compuestos están analizando, pero sospechan que el carbono que se encuentra en los suelos probablemente provenga de metabolitos producidos por microbios del suelo y de paredes celulares microbianas. “Con toda probabilidad, este es un cementerio microbiano”, dijo Lehmann.
“Tuvimos un hallazgo inesperado en el que pudimos ver interfaces entre diferentes formas de carbono y no solo entre el carbono y los minerales”, dijo Possinger. “Podríamos empezar a mirar esas interfaces e intentar comprender algo sobre esas interacciones”.
La técnica reveló capas de carbono alrededor de esas interfaces orgánicas. También mostró que el nitrógeno era un actor importante para facilitar las interacciones químicas entre las interfaces orgánicas y minerales, dijo Possinger.
Como resultado, los agricultores pueden mejorar la salud del suelo y mitigar el cambio climático a través del secuestro de carbono al considerar la forma de nitrógeno en las enmiendas del suelo, dijo.
Mientras cursaba su doctorado, Possinger trabajó durante años con físicos de Cornell, incluidos los coautores Lena Kourkoutis, profesora asociada de física aplicada e ingeniería, y David Muller, profesor de ingeniería Samuel B. Eckert en física aplicada e ingeniería, y el coautor director del Instituto Kavli de Cornell para la ciencia a nanoescala, para ayudar a desarrollar el método de varios pasos.
Los investigadores planearon usar microscopios electrónicos poderosos para enfocar los haces de electrones a escalas subatómicas, pero encontraron que los electrones modifican y dañan muestras de suelo sueltas y complejas. Como resultado, tuvieron que congelar las muestras a alrededor de menos 180 grados. Celsius, lo que redujo los efectos nocivos de los rayos.
“Tuvimos que desarrollar una técnica que esencialmente mantiene las partículas del suelo congeladas durante el proceso de hacer rebanadas muy delgadas para observar estas pequeñas interfaces”, dijo Possinger.
Luego, los rayos podrían escanearse a través de la muestra para producir imágenes de la estructura y la química de una muestra de suelo y sus complejas interfaces, dijo Kourkoutis.
“Nuestros colegas de física están liderando el camino a nivel mundial para mejorar nuestra capacidad de observar muy de cerca las propiedades de los materiales”, dijo Lehmann. “Sin esa colaboración interdisciplinaria, estos avances no son posibles”.
La nueva técnica de espectroscopía y microscopía electrónica criogénica permitirá a los investigadores sondear una amplia gama de interfaces entre materiales blandos y duros, incluidos los que desempeñan funciones en la función de baterías, celdas de combustible y electrolizadores, dijo Kourkoutis.
Referencia: “Interfaces organo-orgánicas y organo-minerales en el suelo a escala nanométrica” por Angela R. Possinger, Michael J. Zachman, Akio Enders, Barnaby DA Levin, David A. Muller, Lena F. Kourkoutis y Johannes Lehmann, 30 Noviembre de 2020, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-020-19792-9
Los coautores incluyen Michael Zachman Ph.D. ’18, un ex estudiante de posgrado en el laboratorio de Kourkoutis; Akio Enders, ex investigador del laboratorio de Lehmann; y Barnaby Levin Ph.D. ’17, un ex estudiante de posgrado en el laboratorio de Muller.
El estudio fue financiado por la National Science Foundation, el Technical University of Munich Institute for Advanced Study, la Andrew W. Mellon Foundation y la Cornell College of Agriculture and Life Sciences Alumni Foundation.
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