Een mysterie dat de wetenschappelijke gemeenschap al meer dan vijftig jaar in verwarring brengt, is eindelijk opgelost. Een team van de Universiteit van Linköping, Zweden, en Helmholtz München hebben ontdekt dat een bepaald type chemische reactie kan verklaren waarom organisch materiaal in rivieren en meren zo resistent is tegen afbraak. Hun onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature .

"Dit is al meer dan 50 jaar de heilige graal binnen mijn onderzoeksgebied", zegt Norbert Hertkorn, wetenschapper in de analytische chemie, voorheen bij Helmholtz München en momenteel aan de Universiteit van Linköping.

Laten we het vanaf het begin bekijken. Wanneer bijvoorbeeld een blad loskomt van een boom en op de grond valt, begint het onmiddellijk af te breken. Voordat het blad uiteenvalt, bestaat het uit een paar duizend verschillende biomoleculen; moleculen die in de meeste levende materie voorkomen.

De afbraak van het blad verloopt in verschillende fasen. Insecten en micro-organismen beginnen het te consumeren, terwijl zonlicht en vochtigheid het blad aantasten, waardoor verdere afbraak ontstaat. Uiteindelijk worden de moleculen uit het ontbonden blad in rivieren, meren en oceanen gespoeld.

Op dit punt zijn de duizenden bekende biomoleculen echter getransformeerd in miljoenen heel verschillend ogende moleculen met complexe en doorgaans onbekende structuren. Dit dramatische chemische transformatieproces is tot nu toe een mysterie gebleven dat onderzoekers al meer dan een halve eeuw in verwarring brengt.

"Nu kunnen we ophelderen hoe een paar duizend moleculen in levende materie aanleiding kunnen geven tot miljoenen verschillende moleculen die snel zeer resistent worden tegen verdere afbraak", zegt Hertkorn.

Het team ontdekte dat een specifiek type reactie, bekend als oxidatieve dearomatisatie, achter het mysterie schuilgaat. Hoewel deze reactie lange tijd uitgebreid is bestudeerd en toegepast in de farmaceutische synthese, bleef het natuurlijke voorkomen ervan onontgonnen.

In het onderzoek toonden de onderzoekers aan dat oxidatieve dearomatisering de driedimensionale structuur van sommige componenten van biomoleculen verandert, wat op zijn beurt een cascade van opeenvolgende en gedifferentieerde reacties kan activeren, resulterend in miljoenen verschillende moleculen.

Wetenschappers geloofden voorheen dat de weg naar opgelost organisch materiaal een langzaam proces met veel opeenvolgende reacties met zich meebracht. Uit het huidige onderzoek blijkt echter dat de transformatie relatief snel plaatsvindt.

Het team onderzocht opgelost organisch materiaal uit vier zijrivieren van de Amazone en twee meren in Zweden. Ze gebruikten een techniek genaamd nucleaire magnetische resonantie (NMR) om de structuur van miljoenen verschillende moleculen te analyseren. Opmerkelijk genoeg bleef de fundamentele structuur van het opgeloste organische materiaal, ongeacht het klimaat, consistent.

"De sleutel tot de bevindingen was het onconventionele gebruik van NMR op manieren die onderzoek naar het diepe binnenste van grote opgeloste organische moleculen mogelijk maakten, waardoor de chemische omgeving rond de koolstofatomen in kaart werd gebracht en gekwantificeerd", legt Siyu Li, wetenschapper aan het Helmholtz Zentrum en hoofdauteur uit. van de studie.

In biomoleculen kunnen koolstofatomen verbonden zijn met vier andere atomen, meestal met waterstof of zuurstof. Tot verbazing van het team was een zeer groot deel van de organische koolstofatomen echter niet verbonden met waterstof, maar voornamelijk met andere koolstofatomen. Bijzonder intrigerend was het grote aantal koolstofatomen dat specifiek gebonden was aan drie andere koolstofatomen en één zuurstofatoom, een structuur die zeer zeldzaam is in biomoleculen.

Volgens David Bastviken, hoogleraar milieuverandering aan de Universiteit van Linköping, zorgt dit ervoor dat het organische materiaal stabiel blijft, waardoor het lange tijd kan blijven bestaan ​​en wordt voorkomen dat het snel terugkeert naar de atmosfeer als koolstofdioxide of methaan.

"Deze ontdekking helpt bij het verklaren van de aanzienlijke organische koolstofputten op onze planeet, die de hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer verminderen", zegt Bastviken.

Meer informatie: Dearomatisering stimuleert het genereren van complexiteit in organisch materiaal in zoet water, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07210-9

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Linköping Universiteit