Descoperire majoră: metanolul și formaldehida se pot forma în sol fără bacterii sau substanțe chimice adăugate
O cercetare realizată la Institutul de Științe ale Pământului din cadrul Universității Heidelberg a scos la iveală un proces abiotic trecut cu vederea până acum: lignina, unul dintre cele mai importante rezervoare de carbon din plante și soluri, poate fi descompusă nu doar de ciuperci sau bacterii, ci și prin atacul speciilor reactive de oxigen asociate fierului. În urma acestui proces, lignina este transformată în metanol și, ulterior, în formaldehidă.
Un mecanism chimic nerecunoscut anterior
Lignina reprezintă o parte considerabilă a carbonului organic nefosil terestru și conferă lemnului și altor materiale vegetale rigiditatea lor. O caracteristică definitorie a acestui biopolimer sunt așa-numitele grupări metoxi (–OCH₃). Metanolul și formaldehida sunt cunoscute în principal ca produse chimice industriale importante, dar se formează și în natură, unde, în sol, servesc drept surse de carbon și energie pentru microorganisme.
Până în prezent nu se știa că un proces de degradare a ligninei indus de fier poate constitui o sursă importantă pentru ambii compuși. Mineralele de fier sunt componente naturale ale multor soluri, iar speciile reactive de oxigen – molecule ce conțin oxigen cu reactivitate chimică foarte ridicată – se pot forma și ele acolo, în special în condiții de mediu în schimbare.
Fierul eliberează grupările metoxi
Atunci când speciile reactive de fier-oxigen atacă lignina fără implicarea microorganismelor, grupările metoxi (–OCH₃) sunt eliberate direct din biopolimer. Căile de degradare cunoscute anterior eliberau doar partea metilică a acestor grupări. În cursul demetoxilării, metanolul și ulterior formaldehida se formează în condiții naturale.
„Reacția are loc la temperatura ambiantă și la presiune normală, în apă, și se intensifică doar la temperaturi mai ridicate. Până acum era cunoscută doar din industrie – la temperaturi de peste 285 de grade Celsius, la presiune ridicată și într-o atmosferă de hidrogen”, explică dr. Jonas Hädeler de la Institutul de Științe ale Pământului, cel care a realizat experimentele de laborator în grupul de cercetare în biogeochimie condus de dr. Frank Keppler.
Dovezi izotopice și calcule cuantice
Cercetătorii au urmărit direct calea reacției cu ajutorul moleculelor marcate izotopic, în care atomi individuali sunt înlocuiți cu variante mai grele. Gruparea metoxi este clivată ca unitate și formează astfel metanol – spre deosebire de procesele în care sunt îndepărtate doar grupări metil. Calculele chimice cuantice efectuate de grupul de lucru al dr. Peter Comba susțin rezultatele experimentelor de laborator.
„Ele indică cea mai joasă barieră energetică pentru clivarea întregii grupări metoxi – ceea ce, din punct de vedere chimic, reprezintă calea reactivă cea mai favorabilă dintre cele investigate. Aceasta corespunde exact observațiilor experimentale”, explică Comba, a cărui cercetare este bazată la Institutul de Chimie Anorganică al Universității Heidelberg.
Procesul confirmat în soluri naturale
Experimentele cercetătorilor de la Heidelberg pe probe de sol sterilizat arată că procesul are loc în solurile naturale: metanolul și apoi formaldehida s-au format doar prin umezire – fără adăugarea de fier sau specii reactive de oxigen. Formarea metanolului a continuat și pe parcursul mai multor cicluri de umezire-uscare. Aceasta nu s-a produs atunci când grupările metoxi fuseseră îndepărtate deliberat în prealabil.
În schimb, în solurile netratate, biologic active, se găsește considerabil mai puțin metanol, întrucât microorganismele îl consumă rapid. „Prin urmare, funcționează în primul rând ca produs intermediar care leagă chimia abiotică de metabolismul microbian”, spune Hädeler.
Implicații pentru chimia atmosferică și clima
„Ne-a surprins faptul că metanolul și formaldehida se pot elibera complet chimic din materiale organice bogate în lignină”, afirmă Keppler. Dacă ajung în atmosferă, acești compuși influențează reacțiile fotochimice și chimia atmosferică. Experimentele la diferite temperaturi arată că formarea lor crește odată cu creșterea temperaturii.
„Ce înseamnă aceasta în context climatic este ceva ce vor trebui să clarifice studii de teren suplimentare”, spune cercetătorul de la Heidelberg, a cărui activitate se concentrează pe originea compușilor mici de carbon, precum metanolul, în mediu. În plus, noile descoperiri ar putea prezenta interes în viitorul apropiat pentru utilizarea ligninei ca produs secundar al industriei hârtiei.
