Nøglen til at fremskynde kulstofbinding opdaget

Forskere ved Caltech og USC har opdaget en måde at fremskynde den langsomme del af den kemiske reaktion, der i sidste ende hjælper jorden til sikkert at låse væk, eller sequester, kuldioxid ud i havet. Du skal blot tilføje et almindeligt enzym til blandingen, forskerne har fundet, kan få den hastighedsbegrænsende del af processen til at gå 500 gange hurtigere.

Et papir om arbejdet udkommer online i ugen den 17. juli forud for offentliggørelsen i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Mens det nye papir handler om en grundlæggende kemisk mekanisme, implikationen er, at vi måske bedre efterligner den naturlige proces, der lagrer kuldioxid i havet, " siger hovedforfatter Adam Subhas, en Caltech kandidatstuderende og Resnick Sustainability Fellow.

Forskningen er et samarbejde mellem Jess Adkins fra Caltechs laboratorier og Will Berelson fra USC. Holdet brugte isotopmærkning og to metoder til at måle isotopforhold i opløsninger og faste stoffer til at studere calcit - en form for calciumcarbonat - opløses i havvand og måle, hvor hurtigt det sker på molekylært niveau.

Det hele startede med en meget enkel, meget grundlæggende problem:at måle, hvor lang tid det tager for calcit at opløses i havvand. "Selvom et tilsyneladende ligetil problem, reaktionens kinetik er dårligt forstået, " siger Berelson, professor i geovidenskab ved USC Dornsife College of Letters, Kunst og Videnskab.

Calcit er et mineral lavet af calcium, kulstof, og oxygen, der er mere almindeligt kendt som den sedimentære forløber for kalksten og marmor. I havet, calcit er et sediment dannet af skaller af organismer, ligesom plankton, der er døde og sunket til havbunden. Calciumcarbonat er også det materiale, der udgør koralrevene - koralpolyppens eksoskelet.

Efterhånden som atmosfæriske kuldioxidniveauer er steget til over 400 ppm - et symbolsk benchmark for klimaforskere, der bekræfter, at virkningerne af drivhusgassen i atmosfæren vil kunne mærkes i generationer fremover - har overfladehavene absorberet mere og mere af denne kuldioxid . Dette er en del af en naturlig bufferproces - havene fungerer som et stort reservoir af kuldioxid. På nuværende tidspunkt, de rummer omkring 50 gange så meget af drivhusgassen som atmosfæren.

Imidlertid, der er et andet, langsommere, bufferproces, der fjerner kuldioxid fra atmosfæren. Kuldioxid er en syre i havvand, ligesom det er i kulsyreholdige sodavand (hvilket er en del af hvorfor de tærer på din tandemalje). Det forsurede overfladehavvand vil med tiden cirkulere til dybet, hvor det kan reagere med de døde calciumcarbonatskaller på havbunden og neutralisere den tilsatte kuldioxid. Imidlertid, denne proces vil tage titusinder af år at fuldføre, og i mellemtiden, det stadig surere overfladevand tærer på koralrevene. Men hvor hurtigt vil korallen opløses?

"Vi besluttede at tackle dette problem, fordi det er lidt pinligt, videnstilstanden udtrykt i litteraturen, " siger Adkins, Smits familieprofessor i geokemi og global miljøvidenskab ved Caltech. "Vi kan ikke fortælle dig, hvor hurtigt korallen vil opløses."

Tidligere metoder var afhængige af at måle ændringen i pH i havvandet som calciumcarbonat opløst, og udlede opløsningsrater deraf. (Når calciumcarbonat opløses, det hæver vands pH, gør det mindre surt.) Subhas og Adkins valgte i stedet at bruge isotopmærkning.

Kulstofatomer findes i to stabile former i naturen. Omkring 98,9 procent af det er kulstof-12, som har seks protoner og seks neutroner. Omkring 1,1 procent er kulstof-13, med en ekstra neutron.

Subhas og Adkins konstruerede en prøve af calcit lavet udelukkende af det sjældne kulstof-13, og derefter opløst det i havvand. Ved at måle ændringen i forholdet mellem kulstof-12 og kulstof-13 i havvandet over tid, de var i stand til at kvantificere opløsningen på molekylært niveau. Deres metode viste sig at være omkring 200 gange mere følsom end sammenlignelige teknikker til at studere processen.

På skrift, reaktionen er ret ligetil:Vand plus kuldioxid plus calciumcarbonat er lig med opløste calcium- og bikarbonationer i vand. I praksis, det er komplekst. "På en eller anden måde, calciumcarbonat beslutter sig for spontant at skære sig selv i halve. Men hvad er den faktiske kemiske vej, som reaktionen tager?" siger Adkins.

At studere processen med et sekundært ion-massespektrometer (som analyserer overfladen af ​​et fast stof ved at bombardere det med en stråle af ioner) og et hulrums-ringdown-spektrometer (som analyserer 13C/12C-forholdet i opløsning), Subhar opdaget, at den langsomme del af reaktionen er omdannelsen af ​​kuldioxid og vand til kulsyre.

"Denne reaktion er blevet overset, " siger Subhas. "Det langsomme skridt er at skabe og bryde kulstof-ilt-bindinger. De kan ikke lide at gå i stykker; de er stabile former."

Bevæbnet med denne viden, holdet tilføjede enzymet kulsyreanhydrase - som hjælper med at opretholde pH-balancen i blod hos mennesker og andre dyr - og var i stand til at fremskynde reaktionen i størrelsesordener.

"Dette er et af de sjældne øjeblikke i den bue af ens karriere, hvor man bare går, "Jeg har lige opdaget noget, ingen vidste, '" siger Adkins.