Gli scienziati del Caltech e dell'USC hanno scoperto un modo per accelerare la parte lenta della reazione chimica che alla fine aiuta la terra a rinchiudersi in sicurezza, o sequestrare, anidride carbonica nell'oceano. Semplicemente aggiungendo un enzima comune alla miscela, i ricercatori hanno scoperto, può rendere quella parte del processo che limita la velocità 500 volte più veloce.

Un documento sull'opera appare online la settimana del 17 luglio prima della pubblicazione nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Mentre il nuovo documento riguarda un meccanismo chimico di base, l'implicazione è che potremmo imitare meglio il processo naturale che immagazzina l'anidride carbonica nell'oceano, ", afferma l'autore principale Adam Subhas, uno studente laureato al Caltech e Resnick Sustainability Fellow.

La ricerca è una collaborazione tra i laboratori di Jess Adkins di Caltech e Will Berelson di USC. Il team ha utilizzato l'etichettatura isotopica e due metodi per misurare i rapporti isotopici in soluzioni e solidi per studiare la calcite, una forma di carbonato di calcio, che si dissolve nell'acqua di mare e misurare la velocità con cui si verifica a livello molecolare.

Tutto è iniziato con un semplice, problema molto semplice:misurare quanto tempo impiega la calcite a dissolversi nell'acqua di mare. "Sebbene un problema apparentemente semplice, la cinetica della reazione è poco conosciuta, "dice Berelson, professore di scienze della terra presso l'USC Dornsife College of Letters, Arti e Scienze.

La calcite è un minerale costituito da calcio, carbonio, e ossigeno che è più comunemente noto come il precursore sedimentario del calcare e del marmo. Nell'oceano, la calcite è un sedimento formato dai gusci di organismi, come plancton, che sono morti e sono sprofondati sul fondo del mare. Il carbonato di calcio è anche il materiale che costituisce le barriere coralline, l'esoscheletro del polipo corallino.

Poiché i livelli di anidride carbonica nell'atmosfera sono aumentati di oltre 400 parti per milione - un punto di riferimento simbolico per gli scienziati del clima che conferma che gli effetti dei gas serra nell'atmosfera si faranno sentire per le generazioni a venire - gli oceani di superficie hanno assorbito sempre più di quell'anidride carbonica . Questo fa parte di un naturale processo tampone:gli oceani agiscono come un importante serbatoio di anidride carbonica. In questo momento, trattengono circa 50 volte più gas serra dell'atmosfera.

Però, c'è un secondo, Più lentamente, processo tampone che rimuove l'anidride carbonica dall'atmosfera. L'anidride carbonica è un acido presente nell'acqua di mare, proprio come nelle bibite gassate (che è parte del motivo per cui mangiano lo smalto dei denti). Le acque oceaniche superficiali acidificate alla fine circoleranno nelle profondità dove possono reagire con i gusci morti di carbonato di calcio sul fondo del mare e neutralizzare l'anidride carbonica aggiunta. Però, questo processo richiederà decine di migliaia di anni per essere completato e nel frattempo, le acque superficiali sempre più acide divorano le barriere coralline. Ma quanto velocemente si dissolverà il corallo?

"Abbiamo deciso di affrontare questo problema perché è un po' imbarazzante, lo stato delle conoscenze espresso in letteratura, "dice Adkins, Smits Family Professor di geochimica e scienze ambientali globali al Caltech. "Non possiamo dirti quanto velocemente il corallo si dissolverà."

I metodi precedenti si basavano sulla misurazione della variazione del pH nell'acqua di mare quando il carbonato di calcio si dissolveva, e inferire tassi di scioglimento da questo. (Mentre il carbonato di calcio si dissolve, aumenta il pH dell'acqua, rendendolo meno acido.) Subhas e Adkins hanno invece scelto di utilizzare l'etichettatura isotopica.

Gli atomi di carbonio esistono in natura in due forme stabili. Circa il 98,9% di esso è carbonio-12, che ha sei protoni e sei neutroni. Circa l'1,1% è carbonio-13, con un neutrone in più.

Subhas e Adkins hanno progettato un campione di calcite realizzato interamente con il raro carbonio-13, e poi disciolto in acqua di mare. Misurando la variazione nel tempo del rapporto tra carbonio-12 e carbonio-13 nell'acqua di mare, sono stati in grado di quantificare la dissoluzione a livello molecolare. Il loro metodo si è rivelato circa 200 volte più sensibile di tecniche comparabili per lo studio del processo.

Su carta, la reazione è abbastanza semplice:l'acqua più l'anidride carbonica più il carbonato di calcio equivalgono agli ioni calcio e bicarbonato disciolti nell'acqua. In pratica, è complesso. "In qualche modo, il carbonato di calcio decide spontaneamente di tagliarsi a metà. Ma qual è il percorso chimico effettivo che prende la reazione?", dice Adkins.

Studiando il processo con uno spettrometro di massa di ioni secondari (che analizza la superficie di un solido bombardandolo con un fascio di ioni) e uno spettrometro a cavità anulare (che analizza il rapporto 13C/12C in soluzione), Subha scoperto che la parte lenta della reazione è la conversione dell'anidride carbonica e dell'acqua in acido carbonico.

"Questa reazione è stata trascurata, " Subhas dice. "Il passo lento è creare e rompere i legami carbonio-ossigeno. Non amano rompere; sono forme stabili."

Armato di questa conoscenza, il team ha aggiunto l'enzima anidrasi carbonica, che aiuta a mantenere l'equilibrio del pH del sangue negli esseri umani e in altri animali, ed è stato in grado di accelerare la reazione di ordini di grandezza.

"Questo è uno di quei rari momenti nell'arco della propria carriera in cui vai e basta, 'Ho appena scoperto qualcosa che nessuno ha mai saputo, '", dice Adkins.