Unde se duce azotul Pământului? Doi atomi oferă un indiciu
Azotul este esențial pentru proteine și ADN, dar majoritatea organismelor nu îl pot folosi direct din atmosferă. Microbii transformă azotul gazos în compuși utilizabili, iar alții îl returnează în formă gazoasă. Echilibrul dintre aceste procese determină cât azot este disponibil pentru viață, însă cuantificarea lor a fost dificilă.
O echipă de biogeochimiști de la UC Santa Barbara, UCLA și instituții colaboratoare a arătat că o formă rară de azot gazos poate servi drept amprentă naturală a conversiei microbiene. Studiul, publicat în Science, dezvăluie pierderi de azot de origine microbiană pe care metodele convenționale le ascund.
Molecula de azot gazos (N2) este formată din doi atomi. Aceștia există în două variante de greutate: azotul-14 comun și azotul-15 mai greu. În azotul atmosferic, atomii grei se asociază mai des decât ar fi de așteptat întâmplător, în timp ce azotul produs de microbi are atomii asociați aproape aleatoriu. Când cele două se amestecă, excesul de perechi grele scade, iar abundența relativă a moleculei rare indică cât azot a fost produs de microbi.
„Problema este că apa noastră conține în mod natural o cantitate uriașă de azot gazos dizolvat din aer, așa că gazul produs de microbi poate fi foarte greu de observat”, a explicat Jiarui Liu, primul autor al studiului. „Răspunsul este scris în modul în care atomii de azot sunt perechi în interiorul moleculei.”
Echipa a măsurat azotul gazos din apă și sedimente folosind spectrometrul de masă Panorama de la UCLA, care separă moleculele după masă și sarcină. De obicei, perechile rare de azot sunt greu de distins, dar dimensiunea neobișnuit de mare a aparatului permite separarea diferențelor minuscule de masă. „La UCLA am descoperit asocierea anormală a atomilor grei de azot în atmosfera Pământului și folosim acum această semnătură ca instrument geochimic puternic și unic”, a spus geochimistul Edward Young, coautor al lucrării.
Studiul a reunit cercetători din domenii diverse, iar expertiza lor combinată a permis aplicarea metodei asupra apelor subterane din Texas, lacurilor din Antarctica și Minnesota, bazinelor costiere din sudul Californiei, Golfului Bengal și sedimentelor de mare adâncime din largul Alaskăi.
În prezent, fertilizanții, apele uzate și alte activități umane joacă un rol tot mai mare în ciclul azotului. Excesul de azot degradează calitatea apei și alimentează înfloririle algale dăunătoare, care la descompunere consumă oxigen și creează zone moarte. Studiind ciclul azotului, cercetătorii pot identifica modalități de intervenție pentru reducerea daunelor. Măsurând cât azot elimină microbii în mod natural, metoda poate ajuta la evaluarea aporturilor de fertilizanți și ape uzate.
„Vrem să înțelegem dacă microbii din apele subterane pot atenua poluarea cu nitrați și cât azot este eliminat înainte de a ajunge în lacuri, râuri și apele costiere”, a declarat Liu. „Aceasta ne oferă o imagine mai clară dacă azotul rămâne în ecosistem sau este îndepărtat ca gaz N2.”
Abordarea poate acoperi și o lacună în monitorizarea apelor subterane. „Multe programe de rutină nu măsoară gazul N2 produs în acvifer, ceea ce creează distorsiuni în bilanțul azotului”, a spus coautorul Alan Seltzer, profesor asistent de hidrogeologie la University College Dublin.
Scopul mai larg este de a înțelege ritmul ciclului global al azotului. Oamenii de știință calculează bilanțuri pentru a compara ratele de aport și eliminare a azotului utilizabil, echilibru care influențează creșterea plantelor și microbilor ce susțin lanțurile trofice. „Este foarte dificil să aflăm cât de repede are loc eliminarea într-un mediu dat, ceea ce îngreunează calcularea bilanțului global”, a spus coautorul David Valentine. „Noua noastră abordare oferă o măsură directă a acestei pierderi.”
Combinată cu date despre transportul apei și acumularea gazului, metoda permite estimarea ratelor de pierdere a azotului la nivel de ecosistem. Extinderea măsurătorilor poate lega estimările locale de bilanțurile regionale și globale, oferind o modalitate independentă de a verifica dacă intrările și pierderile de azot se echilibrează pe planetă.
