Para peneliti mengidentifikasi faktor-faktor kunci yang menentukan apakah tanah memerangkap karbon atau melepaskannya sebagai CO2, menyoroti peran interaksi molekuler dan kimia tanah, yang berpotensi membantu upaya mitigasi perubahan iklim. Tanah liat smektit (ditampilkan di sini) mengandung mineral tanah liat yang diketahui menyerap karbon di tanah alami. Kredit: Francesco Ungaro
Penelitian terbaru mengungkap mekanisme tanah menangkap karbon atmosfer yang berasal dari tanaman.
Ketika molekul karbon dari tumbuhan masuk ke dalam tanah, mereka menemui persimpangan yang pasti.
Karbon tersebut bisa terperangkap di dalam tanah selama berhari-hari atau bahkan bertahun-tahun, dan secara efektif diserap agar tidak langsung memasuki atmosfer. Atau ia memberi makan mikroba, yang kemudian menghirup karbon dioksida (CO).2) ke dalam lingkungan yang selalu memanas.
Dalam sebuah studi baru, para peneliti di Universitas Northwestern menentukan faktor-faktor yang dapat mempengaruhi bahan organik nabati ke satu arah atau yang lain.
Dengan menggabungkan eksperimen laboratorium dan pemodelan molekuler, para peneliti menguji interaksi antara biomolekul karbon organik dan sejenis mineral tanah liat yang dikenal dapat memerangkap bahan organik di dalam tanah. Mereka menemukan bahwa muatan elektrostatis, fitur struktural molekul karbon, nutrisi logam di sekitar tanah, dan persaingan antar molekul semuanya memainkan peran utama dalam kemampuan (atau ketidakmampuan) tanah untuk memerangkap karbon.
Temuan baru ini dapat membantu para peneliti memprediksi sifat kimia tanah mana yang paling cocok untuk memerangkap karbon – yang berpotensi mengarah pada solusi berbasis tanah untuk memperlambat perubahan iklim yang disebabkan oleh manusia.
Penelitian ini baru-baru ini dipublikasikan di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
“Jumlah karbon organik yang tersimpan di tanah sekitar sepuluh kali lipat jumlah karbon di atmosfer,” kata Ludmilla Aristilde dari Northwestern, penulis senior studi tersebut. “Jika reservoir yang sangat besar ini terganggu, maka akan menimbulkan efek riak yang besar. Ada banyak upaya untuk menjaga karbon tetap terperangkap agar tidak masuk ke atmosfer. Jika kita ingin melakukan hal itu, pertama-tama kita harus memahami mekanisme yang ada.”
Seorang ahli dalam dinamika organik dalam proses lingkungan, Aristilde adalah profesor teknik sipil dan lingkungan di Sekolah Teknik McCormick Northwestern. Jiaxing Wang, seorang Ph.D. mahasiswa di laboratorium Aristilde, adalah penulis pertama makalah tersebut. Rebecca Wilson, seorang mahasiswa sarjana di Northwestern, adalah penulis kedua makalah ini.
Tanah liat biasa
Tanah merupakan salah satu penyerap karbon terbesar di bumi yang menyimpan 2.500 miliar ton karbon yang terserap, nomor dua setelah lautan. Meskipun tanah ada di sekitar kita, para peneliti baru mulai memahami bagaimana tanah mengunci karbon dan menyerapnya dari siklus karbon.
Untuk menyelidiki proses ini, Aristilde dan timnya meneliti tanah liat smektit, sejenis mineral tanah liat yang diketahui menyerap karbon di tanah alami. Kemudian, mereka memeriksa bagaimana permukaan mineral tanah liat terikat pada sepuluh biomolekul berbeda – termasuk asam aminogula yang berhubungan dengan selulosa, dan asam fenolik yang berhubungan dengan lignin — dengan kimia dan struktur yang bervariasi.
“Kami memutuskan untuk mempelajari mineral tanah liat ini karena mineral ini ada dimana-mana,” kata Aristilde. “Hampir semua tanah mengandung mineral lempung. Selain itu, tanah liat banyak ditemukan di daerah beriklim semi-kering dan sedang – wilayah yang kita tahu akan terkena dampak perubahan iklim.”
Ketertarikan yang berlawanan
Aristilde dan timnya pertama kali mengamati interaksi antara mineral tanah liat dan biomolekul individu. Karena mineral lempung bermuatan negatif, biomolekul dengan komponen bermuatan positif (lisin, histidin, dan treonin) mengalami pengikatan paling kuat. Namun menariknya, pengikatan ini tidak semata-mata ditentukan oleh muatan elektrostatis. Dengan menggunakan pemodelan komputasi 3D, para peneliti menemukan bahwa struktur biomolekul juga berperan.
“Ada contoh di mana dua molekul sama-sama bermuatan positif, namun salah satu molekul memiliki interaksi yang lebih baik dengan tanah liat dibandingkan yang lain,” kata Aristilde. “Itu karena fitur struktural dari pengikatan juga penting. Sebuah molekul harus cukup fleksibel untuk mengadopsi susunan struktural yang dapat memposisikan dirinya sedemikian rupa sehingga menyelaraskan komponen bermuatan positif dengan tanah liat. Lisin, misalnya, memiliki lengan panjang dengan muatan positif yang dapat digunakan untuk menambatkan dirinya sendiri.”
Sedikit bantuan dari teman
Mengikuti logika ini, orang mungkin berasumsi bahwa biomolekul bermuatan negatif tidak dapat berikatan dengan tanah liat. Namun Aristilde dan timnya menemukan bahwa nutrisi logam alami di sekitarnya dapat ikut campur. Logam bermuatan positif, seperti magnesium dan kalsium, membentuk jembatan antara biomolekul bermuatan negatif dan mineral tanah liat untuk menciptakan ikatan.
“Bahkan dengan biomolekul yang biasanya tidak berikatan dengan tanah liat, kami melihat peningkatan pengikatan yang signifikan ketika magnesium ada di sana,” kata Aristilde. “Jadi, kandungan logam alami di dalam tanah dapat memudahkan terjadinya penangkapan karbon. Meskipun ini adalah fenomena yang dilaporkan secara luas, kami menjelaskan struktur dan mekanismenya.”
Campur dan berbaur
Ketika mempelajari interaksi antara biomolekul individu dan mineral tanah liat, para peneliti menemukan bahwa pengikatan dapat diprediksi dan mudah dilakukan. Untuk mendapatkan informasi yang lebih selaras dengan lingkungan dunia nyata, Aristilde dan timnya menggabungkan berbagai biomolekul yang berbeda.
“Kita tahu berbagai jenis biomolekul di lingkungan ada secara bersamaan,” kata Aristilde. “Jadi, kami juga melakukan eksperimen dengan campuran biomolekul.”
Meskipun para peneliti awalnya mengira biomolekul akan bersaing satu sama lain untuk berinteraksi dengan tanah liat, mereka malah menemukan perilaku yang tidak terduga. Yang mengejutkan, bahkan biomolekul bermuatan positif dengan struktur fleksibel pun terhambat untuk berikatan dengan mineral tanah liat. Meskipun mereka mudah terikat pada tanah liat ketika sendirian, dorongan biomolekul untuk terikat satu sama lain tampaknya menggantikan daya tarik mereka terhadap tanah liat.
“Ini belum pernah diperlihatkan sebelumnya,” kata Aristilde. “Energi tarik-menarik antara dua biomolekul sebenarnya lebih tinggi dibandingkan energi tarik-menarik biomolekul terhadap tanah liat. Hal ini menyebabkan penurunan adsorpsi. Ini mengubah cara kita berpikir tentang bagaimana molekul bersaing di permukaan. Mereka tidak hanya bersaing untuk mendapatkan situs pengikatan di permukaan. Mereka sebenarnya bisa menarik satu sama lain.”
Apa berikutnya
Selanjutnya, Aristilde dan timnya berencana untuk mengkaji bagaimana biomolekul berinteraksi dengan mineral di tanah yang ditemukan di daerah hangat, termasuk iklim tropis. Dalam proyek terkait lainnya, mereka bertujuan untuk mengeksplorasi bagaimana bahan organik diangkut di sungai dan sistem air lainnya.
“Sekarang kami telah mempelajari mineral lempung yang sebagian besar ditemukan di daerah beriklim sedang, kami ingin memahami jenis mineral lainnya,” kata Aristilde. “Bagaimana cara mereka memerangkap bahan organik? Apakah prosesnya sama atau berbeda? Jika kita ingin menjaga karbon tetap terperangkap di dalam tanah, maka kita perlu memahami bagaimana karbon tersebut tersusun dan bagaimana susunan ini mempengaruhi akses terhadap mikroba.”
Referensi: “Kopling elektrostatik dan jembatan air dalam hierarki adsorpsi biomolekul pada antarmuka air-tanah liat” oleh Jiaxing Wang, Rebecca S. Wilson dan Ludmilla Aristilde, 8 Februari 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2316569121
Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation (nomor penghargaan CBET-1653092).
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
