Ученые из Калифорнийского технологического института и Университета Южной Калифорнии обнаружили способ ускорить медленную часть химической реакции, которая в конечном итоге помогает Земле безопасно блокировать или изолировать углекислый газ в океане. Исследователи обнаружили, что простое добавление в смесь обычного фермента может ускорить процесс в 500 раз быстрее.
Статья о работе появляется в Интернете 17 июля перед публикацией в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Хотя новая статья посвящена базовому химическому механизму, подразумевается, что мы могли бы лучше имитировать естественный процесс, который накапливает углекислый газ в океане», - говорит ведущий автор Адам Субхас, аспирант Калифорнийского технологического института и Resnick Sustainability. Товарищ.
Исследование является результатом сотрудничества между лабораториями Джесс Адкинс из Калифорнийского технологического института и Уилла Берельсона из Университета Южной Калифорнии. Команда использовала изотопную маркировку и два метода измерения соотношения изотопов в растворах и твердых веществах для изучения кальцита - формы карбоната кальция - растворяющегося в морской воде, и измерения того, насколько быстро это происходит на молекулярном уровне.
Все началось с очень простой, очень простой проблемы: измерить, сколько времени требуется кальциту, чтобы раствориться в морской воде. «Хотя проблема кажется простой, кинетика реакции плохо изучена», - говорит Берелсон, профессор наук о Земле в Колледже литературы, искусств и наук Дорнсайфа при Университете Южной Калифорнии.
Кальцит - это минерал, состоящий из кальция, углерода и кислорода, более известный как осадочный предшественник известняка и мрамора. В океане кальцит представляет собой осадок, образовавшийся из раковин организмов, таких как планктон, которые погибли и опустились на морское дно. Карбонат кальция также является материалом, из которого состоят коралловые рифы - экзоскелет кораллового полипа.
Поскольку уровень углекислого газа в атмосфере превысил 400 частей на миллион - символический ориентир для ученых-климатологов, подтверждающий, что воздействие парниковых газов в атмосфере будет ощущаться грядущими поколениями - поверхностные океаны поглотили больше и больше этого углекислого газа. Это часть естественного буферного процесса - океаны действуют как основной резервуар углекислого газа. В настоящее время они содержат примерно в 50 раз больше парниковых газов, чем атмосфера.
Однако существует второй, более медленный буферный процесс, который удаляет углекислый газ из атмосферы. Углекислый газ является кислотой в морской воде, так же как и в газированных газированных напитках (отчасти поэтому они разъедают зубную эмаль). Подкисленные поверхностные океанские воды в конечном итоге циркулируют на глубине, где они могут реагировать с мертвыми раковинами карбоната кальция на морском дне и нейтрализовать добавленный углекислый газ. Однако этот процесс займет десятки тысяч лет, а тем временем все более кислые поверхностные воды разъедают коралловые рифы. Но как быстро растворится коралл?
«Мы решили заняться этой проблемой, потому что это немного смущает, состояние знаний, выраженное в литературе», - говорит Адкинс, профессор геохимии семьи Смитов и глобальных наук об окружающей среде в Калифорнийском технологическом институте. «Мы не можем сказать вам, как быстро растворится коралл».
Ранние методы основывались на измерении изменения pH в морской воде по мере растворения карбоната кальция и выводе из этого скорости растворения. (Поскольку карбонат кальция растворяется, он повышает pH воды, делая ее менее кислой.) Вместо этого Субхас и Адкинс решили использовать изотопную маркировку.
Атомы углерода существуют в природе в двух стабильных формах. Около 98,9% его составляет углерод-12, который имеет шесть протонов и шесть нейтронов. Около 1,1 процента приходится на углерод-13 с одним дополнительным нейтроном.
Субхас и Адкинс разработали образец кальцита, полностью состоящего из редкого углерода-13, а затем растворили его в морской воде. Измерив изменение отношения углерода-12 к углероду-13 в морской воде с течением времени, они смогли количественно оценить растворение на молекулярном уровне. Их метод оказался примерно в 200 раз более чувствительным, чем аналогичные методы изучения процесса.
На бумаге реакция довольно проста: вода плюс диоксид углерода плюс карбонат кальция равняется растворенным ионам кальция и бикарбоната в воде. На практике это сложно. «Каким-то образом карбонат кальция решает спонтанно разрезать себя пополам. Но каков на самом деле химический путь, по которому идет реакция?» Адкинс говорит.
Изучая процесс с помощью масс-спектрометра вторичных ионов (который анализирует поверхность твердого тела путем бомбардировки ее пучком ионов) и спектрометра кольцевого резонатора (который анализирует соотношение 13C/12C в растворе), Субхас обнаружил что медленная часть реакции представляет собой превращение углекислого газа и воды в угольную кислоту.
«Эта реакция была упущена из виду», - говорит Субхас. «Медленный шаг - это создание и разрыв углеродно-кислородных связей. Они не любят разрываться, это стабильные формы».
Вооружившись этими знаниями, команда добавила фермент карбоангидразу, который помогает поддерживать баланс рН крови у людей и других животных, и смогла ускорить реакцию на порядки.
"Это один из тех редких моментов в чьей-то карьере, когда вы просто говорите: "Я только что обнаружил то, чего никто никогда не знал"", - говорит Эдкинс.