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Jul 27, 2023

Natura (2023) Cita questo articolo

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L'equilibrio tra degradazione e conservazione del carbonio organico sedimentario (OC) è importante per i cicli globali del carbonio e dell'ossigeno1. Tuttavia, l’importanza relativa dei diversi meccanismi e delle condizioni ambientali che contribuiscono alla conservazione dell’OC sedimentaria marina rimane poco chiara2,3,4,5,6,7,8. Semplici molecole organiche possono essere geopolimerizzate in forme recalcitranti mediante la reazione di Maillard5, sebbene si ritenga che la cinetica di reazione alle temperature sedimentarie marine sia lenta9,10. Lavori più recenti sui sistemi terrestri suggeriscono che la reazione può essere catalizzata da minerali di manganese11,12,13, ma il potenziale per la promozione della formazione di OC geopolimerizzato a temperature sedimentarie marine è incerto. Qui presentiamo esperimenti di incubazione e scopriamo che gli ioni e i minerali di ferro e manganese catalizzano abioticamente la reazione di Maillard fino a due ordini di grandezza a temperature rilevanti per i margini continentali dove avviene la maggior parte della conservazione4. Inoltre, la firma chimica dei prodotti di reazione ricorda da vicino l’OC disciolto e totale trovato nei sedimenti del margine continentale a livello globale. Con l'aiuto di un modello di acqua interstiziale14, stimiamo che la trasformazione catalizzata da ferro e manganese di semplici molecole organiche in macromolecole complesse potrebbe generare nell'ordine di circa 4,1 Tg C anno −1 per la conservazione nei sedimenti marini. Nel contesto di una variazione forse di soli 63 Tg C anno−1 nella conservazione organica sedimentaria negli ultimi 300 milioni di anni6, proponiamo che input variabili di ferro e manganese nell’oceano potrebbero esercitare un impatto sostanziale ma finora inesplorato sulla conservazione globale dell’OC sulla geologia. tempo.

La conservazione del carbonio organico (OC) nei sedimenti marini nel corso del tempo geologico richiede che l’OC sfugga alla rimineralizzazione microbica che altrimenti lo convertirebbe in carbonio inorganico disciolto e/o anidride carbonica7. Questa premessa è fondamentale per tutti i meccanismi di conservazione dell'OC e richiede che l'OC sia intrinsecamente stabile o reso stabile contro la degradazione microbica7. Quest'ultimo percorso di conservazione è molto spesso associato all'interazione dell'OC con le matrici minerali4,8, ma anche altri percorsi possono comportare la trasformazione dell'OC da forme labili a forme recalcitranti5. La reazione di Maillard15 è una di queste vie in quanto può polimerizzare qualsiasi zucchero riducente e amminoacido libero in composti aromatici complessi (più di 1.000 g mol−1) che possiedono anelli N-sostituiti, gruppi carbonilici, carbossilici e amminici16 (Figura 1 supplementare). Questi polimeri aromatici, che definiamo sostanze geopolimerizzate (GPS), sono troppo grandi per essere ingeriti direttamente dai microbi e sono più difficili da idrolizzare al di fuori delle loro cellule (se più di 1.000 g mol−1) perché hanno strutture più complesse e quindi possono sfuggire alla rimineralizzazione microbica17 e quindi persistere nell’ambiente per lunghi periodi.

Affinché la geopolimerizzazione possa dare un notevole contributo alla conservazione dell'OC nei sedimenti marini, la cinetica della reazione di Maillard deve competere con l'assorbimento microbico o la remineralizzazione degli zuccheri riducenti e degli amminoacidi7. Si ritiene tuttavia che la cinetica della reazione di Maillard a temperature dei sedimenti marini (intorno a 10 °C)14 sia estremamente lenta9,10. Di conseguenza, la geopolimerizzazione è stata ampiamente sminuita come meccanismo per la conservazione dell’OC e si è ritenuto che avesse solo un’importanza secondaria per il seppellimento dell’OC nei sedimenti marini7,9,18. Lavori più recenti, tuttavia, mostrano che la reazione di Maillard può essere catalizzata alla temperatura del suolo (25–45 °C) dal minerale Mn birnessite11 e dalle argille12, portando ad un aumento della produzione di sostanze umiche, che assomigliano a quelle che si trovano abbondantemente nell'ambiente del suolo. Inoltre, nei sistemi marini e terrestri, è noto che il ciclo dell'OC è strettamente accoppiato al ciclo del Fe e Mn disciolti e degli ossidi minerali di Fe e Mn (ossiidr)13,19,20, suggerendo che queste forme reattive di Fe e Mn possono complessarsi con le molecole di OC, contribuendo a proteggere queste molecole dalla rimineralizzazione e a preservarle per centinaia o migliaia di anni8,19. Anche se Fe e Mn potrebbero svolgere un ruolo importante nella trasformazione e conservazione dell’OC, il potenziale di Fe e Mn di catalizzare la reazione di Maillard e promuovere la formazione di OC geopolimerizzato alle temperature dei sedimenti marini non è mai stato determinato.