Wetenschappers van Caltech en USC hebben een manier ontdekt om het langzame deel van de chemische reactie te versnellen die uiteindelijk de aarde helpt veilig op te sluiten, of sekwester, koolstofdioxide in de oceaan. Gewoon een gemeenschappelijk enzym aan de mix toevoegen, hebben de onderzoekers gevonden, kan dat snelheidsbeperkende deel van het proces 500 keer sneller laten verlopen.

Een paper over het werk verschijnt online in de week van 17 juli voorafgaand aan publicatie in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Hoewel het nieuwe artikel gaat over een chemisch basismechanisme, de implicatie is dat we het natuurlijke proces dat koolstofdioxide opslaat in de oceaan beter kunnen nabootsen, " zegt hoofdauteur Adam Subhas, een afgestudeerde Caltech-student en Resnick Sustainability Fellow.

Het onderzoek is een samenwerking tussen de laboratoria van Jess Adkins van Caltech en Will Berelson van USC. Het team gebruikte isotopische labeling en twee methoden voor het meten van isotopenverhoudingen in oplossingen en vaste stoffen om calciet - een vorm van calciumcarbonaat - te bestuderen dat oplost in zeewater en te meten hoe snel het optreedt op moleculair niveau.

Het begon allemaal met een heel eenvoudig, heel basaal probleem:meten hoe lang het duurt voordat calciet is opgelost in zeewater. "Hoewel een schijnbaar eenvoudig probleem, de kinetiek van de reactie wordt slecht begrepen, " zegt Berelson, hoogleraar aardwetenschappen aan het USC Dornsife College of Letters, Kunsten en Wetenschappen.

Calciet is een mineraal gemaakt van calcium, koolstof, en zuurstof die beter bekend staat als de sedimentaire voorloper van kalksteen en marmer. In de oceaan, calciet is een sediment gevormd uit de schelpen van organismen, zoals plankton, die zijn gestorven en naar de zeebodem zijn gezonken. Calciumcarbonaat is ook het materiaal waaruit koraalriffen bestaan ​​- het exoskelet van de koraalpoliep.

Aangezien het koolstofdioxidegehalte in de atmosfeer is gestegen tot meer dan 400 deeltjes per miljoen - een symbolische maatstaf voor klimaatwetenschappers die bevestigen dat de effecten van het broeikasgas in de atmosfeer nog generaties lang voelbaar zullen zijn - hebben de oppervlakteoceanen steeds meer van die koolstofdioxide geabsorbeerd . Dit maakt deel uit van een natuurlijk bufferingsproces - de oceanen fungeren als een belangrijk reservoir van koolstofdioxide. Op dit moment, ze bevatten ongeveer 50 keer zoveel broeikasgas als de atmosfeer.

Echter, er is een tweede, langzamer, bufferproces dat koolstofdioxide uit de atmosfeer verwijdert. Kooldioxide is een zuur in zeewater, net zoals het is in koolzuurhoudende frisdranken (wat een deel is van de reden waarom ze je tandglazuur aanvreten). Het verzuurde oppervlaktewater van de oceaan zal uiteindelijk naar de diepte circuleren waar het kan reageren met de dode calciumcarbonaatschillen op de zeebodem en het toegevoegde koolstofdioxide kan neutraliseren. Echter, dit proces zal tienduizenden jaren in beslag nemen en ondertussen het steeds zuurder wordende oppervlaktewater vreet aan koraalriffen. Maar hoe snel lost het koraal op?

"We hebben besloten dit probleem aan te pakken omdat het een beetje gênant is, de stand van de kennis uitgedrukt in de literatuur, " zegt Adkins, Smits Family hoogleraar Geochemie en Global Environmental Science aan Caltech. "We kunnen je niet vertellen hoe snel het koraal zal oplossen."

Eerdere methoden waren gebaseerd op het meten van de pH-verandering in het zeewater als calciumcarbonaat oploste, en daaruit ontbindingspercentages afleiden. (Als calciumcarbonaat oplost, het verhoogt de pH van water, waardoor het minder zuur is.) Subhas en Adkins kozen er in plaats daarvan voor om isotopische etikettering te gebruiken.

Koolstofatomen komen in de natuur in twee stabiele vormen voor. Ongeveer 98,9 procent daarvan is koolstof-12, die zes protonen en zes neutronen heeft. Ongeveer 1,1 procent is koolstof-13, met een extra neutron.

Subhas en Adkins hebben een monster van calciet gemaakt dat volledig is gemaakt van het zeldzame koolstof-13, en loste het vervolgens op in zeewater. Door de verandering in de verhouding van koolstof-12 tot koolstof-13 in het zeewater in de tijd te meten, ze waren in staat om de oplossing op moleculair niveau te kwantificeren. Hun methode bleek ongeveer 200 keer gevoeliger te zijn dan vergelijkbare technieken om het proces te bestuderen.

Op papier, de reactie is vrij eenvoudig:water plus koolstofdioxide plus calciumcarbonaat is gelijk aan opgeloste calcium- en bicarbonaationen in water. In praktijk, het is ingewikkeld. "Op de een of andere manier, calciumcarbonaat besluit zichzelf spontaan in tweeën te snijden. Maar wat is het eigenlijke chemische pad dat de reactie volgt?", zegt Adkins.

Het proces bestuderen met een secundaire ionenmassaspectrometer (die het oppervlak van een vaste stof analyseert door het te bombarderen met een bundel ionen) en een holte-ringdownspectrometer (die de 13C/12C-verhouding in oplossing analyseert), Subhas ontdekte dat het langzame deel van de reactie de omzetting van kooldioxide en water in koolzuur is.

"Deze reactie is over het hoofd gezien, " zegt Subhas. "De langzame stap is het maken en verbreken van koolstof-zuurstofbindingen. Ze houden niet van breken; het zijn stabiele vormen."

Gewapend met deze kennis, het team voegde het enzym koolzuuranhydrase toe - dat helpt de pH-balans van bloed bij mensen en andere dieren te behouden - en was in staat om de reactie met orden van grootte te versnellen.

"Dit is een van die zeldzame momenten in de boog van iemands carrière waar je gewoon gaat, 'Ik heb net iets ontdekt dat niemand ooit heeft geweten, ', zegt Adkins.