اكتشف العلماء كيف تقوم معادن الحديد بحبس الكربون سرًا لعدة قرون

اكتشف العلماء تفاصيل جديدة تشرح سبب كون معادن أكسيد الحديد بمثابة مصائد كربون فعالة طويلة المدى في التربة.

لقد عرف العلماء منذ سنوات أن مناجم أكسيد الحديد تلعب دورًا رئيسيًا في تخزين الكربون عن طريق إبعاده عن الغلاف الجوي. دراسة جديدة من جامعة نورث وسترن يشرح الآن الأسباب الكامنة وراء فعالية هذه المناجم في الاحتفاظ بالكربون.

ومن خلال التركيز على الفيريهيدريت، وهو معدن أكسيد الحديد الموجود على نطاق واسع، وجد المهندسون أنه يعتمد على عدة عمليات كيميائية متميزة لالتقاط الكربون والاحتفاظ به. وبدلاً من استخدام آلية واحدة، يطبق المعدن أساليب متعددة تعمل معًا لتأمين المواد العضوية.

واكتشف الباحثون أيضًا أن الخواص الكهربائية للفريهيدريت أكثر تعقيدًا مما كان يُفترض سابقًا. في حين أن المعدن يحمل شحنة موجبة إجمالية، فإن سطحه يتكون من مناطق صغيرة ذات شحنات موجبة وسالبة. بالإضافة إلى الجذب الكهربائي، يربط الفريهيدريت الكربون من خلال روابط كيميائية أقوى وروابط هيدروجينية، مما يخلق اتصالات متينة مع المركبات العضوية.

يسمح هذا المزيج من طرق الربط لمعادن أكسيد الحديد بالتفاعل مع مجموعة واسعة من الجزيئات العضوية. ونتيجة لذلك، يمكنها الحفاظ على الكربون في التربة لعقود أو حتى قرون، مما يقلل من الكمية التي تعود إلى الغلاف الجوي كغازات دفيئة تسبب الانحباس الحراري.

ونشرت الدراسة في المجلة العلوم البيئية والتكنولوجيا. وهو يقدم الفحص الأكثر تفصيلاً حتى الآن لكيمياء سطح الفريهيدريت ودوره كنوع رئيسي من معادن أكسيد الحديد.

وقالت لودميلا أريستيلد من جامعة نورث وسترن، التي قادت الدراسة: “إن معادن أكسيد الحديد مهمة للتحكم في الحفاظ على الكربون العضوي على المدى الطويل في التربة والرواسب البحرية”. “يرتبط مصير الكربون العضوي في البيئة ارتباطًا وثيقًا بدورة الكربون العالمية، بما في ذلك تحول المادة العضوية إلى غازات دفيئة. لذلك، من المهم أن نفهم كيف تحبس المعادن المادة العضوية، لكن التقييم الكمي لكيفية احتجاز أكاسيد الحديد لأنواع مختلفة من المواد العضوية من خلال آليات ربط مختلفة كان مفقودًا”.

أريستيلد هو خبير في ديناميكيات المواد العضوية في العمليات البيئية، وهو أستاذ الهندسة المدنية والبيئية في جامعة نورث وسترن. مدرسة ماكورميك للهندسة. وهي أيضًا عضو في المعهد الدولي لتقنية النانو، ومعهد باولا إم. ترينينز للاستدامة والطاقة ومركز البيولوجيا الاصطناعية. جياشينغ وانغ هو المؤلف الأول للدراسة، وبنجامين باريوس سيردا هو المؤلف الثاني للدراسة. يعمل كل من وانغ وباريوس سيردا حاليًا كزملاء ما بعد الدكتوراه في مختبر أريستيلد.

الحفاظ على الكربون مدفونًا

تحتوي التربة على ما يقرب من 2500 مليار طن من الكربون المحتجز، وهي واحدة من أكبر مصارف الكربون على الأرض – في المرتبة الثانية بعد المحيط. ولكن على الرغم من أن التربة موجودة في كل مكان حولنا، إلا أن العلماء بدأوا للتو في فهم كيفية احتجازها للكربون لإزالته من دورة الكربون النشط.

ومن خلال الجمع بين التجارب المعملية والنمذجة النظرية، أمضت أريستيلد وفريقها سنوات في دراسة المعادن والميكروبات التي تعيش في التربة بهدف تحديد العوامل التي تتسبب في احتجاز التربة للكربون أو إطلاقه. في أعمال سابقة، استكشفت أريستيلد وفريقها كيفية القيام بذلك معادن الطين تربط المواد العضوية وكيف تقوم ميكروبات التربة بتحويل المواد العضوية غير السكرية إلى ثاني أكسيد الكربون بشكل تفضيلي.

وفي الدراسة الجديدة، حولت مجموعة أريستيلد تركيزها إلى معادن أكسيد الحديد، التي ترتبط بأكثر من ثلث الكربون العضوي المخزن في التربة. على وجه التحديد، قام الفريق بفحص الفريهيدريت، وهو نوع من معدن أكسيد الحديد الموجود عادة في التربة القريبة من جذور النباتات أو في التربة والرواسب التي تحتوي على مواد عضوية وفيرة. على الرغم من أن الفيريهيدريت يبدو مشحونًا بشحنة موجبة في العديد من الظروف البيئية، إلا أنه قادر على ربط مجموعة واسعة من المركبات العضوية – بعضها سالب الشحنة، وبعضها موجب الشحنة، وبعضها متعادل.

مشاهدة الجزيئات تلتصق

لفهم كيفية حدوث ذلك، استخدمت أريستيلد وفريقها لأول مرة النمذجة الجزيئية عالية الدقة والفحص المجهري للقوة الذرية للحصول على نظرة تفصيلية على سطح المعدن. في حين أن شحنة المعدن إيجابية بشكل عام، فقد وجد الباحثون أن سطحه يحتوي في الواقع على بقع مختلطة من الشحنات الإيجابية والسلبية. يشرح هذا الاكتشاف سبب قدرة الفيريهيدريت على جذب الشحنات السالبة صِنف مثل الفوسفات والأنواع الموجبة الشحنة مثل أيونات المعادن.

وقال أريستيلد: “من الموثق جيدًا أن الشحن الإجمالي للفريهيدريت يكون إيجابيًا في الظروف البيئية ذات الصلة”. “لقد أدى ذلك إلى افتراضات مفادها أن المركبات ذات الشحنة السالبة فقط هي التي سترتبط بهذه المعادن، لكننا نعلم أن المعادن يمكنها ربط المركبات ذات الشحنات السلبية والإيجابية. ويوضح عملنا أن مجموع الشحنات السلبية والإيجابية الموزعة عبر السطح هو الذي يعطي المعدن شحنته الإيجابية الإجمالية.”

بعد رسم خريطة لشحنات سطح الفريهيدريت، قامت أريستيلد وفريقها باختبار كيفية ارتباط الجزيئات به، مما يسمح لهم بربط كيمياء السطح مباشرة باحتجاز الكربون. لقد أدخلوا الفيريهيدريت إلى الجزيئات العضوية الموجودة عادة في التربة، بما في ذلك الأحماض الأمينيةوالأحماض النباتية والسكريات والريبونوكليوتيدات. بعد ذلك، قاموا بقياس كمية هذه الجزيئات الملتصقة بالفريهيدريت واستخدموا التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء لفحص كيفية ارتباط كل جزيء بالضبط.

أكثر من الجذب

وفي النهاية، وجد الفريق أن المركبات ترتبط بالفريهيدريت باستخدام استراتيجيات متعددة. بينما ترتبط الأحماض الأمينية موجبة الشحنة بالبقع السالبة على سطح الفريهيدريت، ترتبط الأحماض الأمينية سالبة الشحنة بالبقع الموجبة الشحنة. يتم سحب المركبات الأخرى، مثل الريبونوكليوتيدات، أولاً إلى الفيريهيدريت عن طريق الجذب الكهروستاتيكي ثم تستمر في تكوين روابط كيميائية أقوى بكثير مع ذرات الحديد. والسكريات، التي تشكل الروابط الأضعف، ترتبط بالمعادن من خلال الروابط الهيدروجينية.

وقال أريستيلد: “بشكل جماعي، توفر النتائج التي توصلنا إليها الأساس المنطقي، على أساس كمي، لبناء إطار للآليات التي تدفع الارتباطات المعدنية العضوية التي تنطوي على أكاسيد الحديد في الحفاظ على المواد العضوية على المدى الطويل”. “قد تساعد هذه الارتباطات في تفسير سبب بقاء بعض الجزيئات العضوية محمية في التربة بينما يكون البعض الآخر أكثر عرضة للتحلل والتنفس بواسطة الميكروبات.”

بعد ذلك، يخطط الفريق لدراسة ما يحدث بعد التصاق الجزيئات العضوية بالأسطح المعدنية. قد تخضع بعض المركبات لتحولات كيميائية إلى منتجات متاحة لمزيد من التحلل أو إلى منتجات أكثر استقرارًا يمكن أن تكون مقاومة للتحلل.

المرجع: “عدم تجانس الشحنة السطحية وآليات أوضاع الارتباط العضوي على أوكسي هيدروكسيد الحديد” بقلم جياشينغ وانغ وبنجامين باريوس سيردا ولودميلا أريستيلد، 15 ديسمبر 2025، العلوم البيئية والتكنولوجيا.
دوى: 10.1021/acs.est.5c10850

وقد تم دعم الدراسة من قبل وزارة الطاقة الأمريكية والمعهد الدولي لتقنية النانو.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.