Bitkilerde ve topraktaki en önemli karbon rezervuarlarından biri olan biyopolimer lignin, yalnızca mantarlar veya bakteriler yoluyla çürümez, aynı zamanda mikroorganizmaların katılımı olmadan reaktif oksijen türlerine bağlı demir tarafından kimyasal olarak saldırıya uğrayabilir. Bu gerçekleştiğinde lignin önce metanole, ardından da formaldehite dönüşür. Heidelberg Üniversitesi Yer Bilimleri Enstitüsü’nde yürütülen bir çalışma bunu gösteriyor.
Araştırmacılar ayrıca bu dönüşümün doğal topraklarda, yalnızca ıslatma yoluyla ve kimyasal madde eklenmeden gerçekleştiğini kanıtladı. Lignin bozunmasının bu biçimi, Dünya’nın karbon döngüsüyle ilgili olan ve eser gaz akışları ve atmosfer kimyası üzerinde etkileri olabilecek, daha önce gözden kaçan bir abiyotik sürece ışık tutuyor. Makale dergide yayınlandı Doğa İletişimi.
Lignin’in gözden kaçan kimyasal kaynağı
Lignin, karasal fosil olmayan organik karbonun önemli bir bölümünü oluşturur ve ahşaba ve diğer bitkisel maddelere sağlamlık kazandırır. Biyopolimerin karakteristiği metoksi gruplarıdır (-OCH₃). Metanol ve formaldehit bileşikleri önemli endüstriyel kimyasallar olarak bilinir, ancak bunlar aynı zamanda doğal olarak gelişir ve toprakta mikroorganizmalar için karbon ve enerji kaynağı olarak hizmet eder.
Demir kaynaklı lignin bozunma sürecinin her iki bileşiğin de önemli bir kaynağı olabileceği daha önce bilinmiyordu. Demir mineralleri birçok toprağın doğal bileşenleridir ve reaktif oksijen türleri (çok yüksek kimyasal reaktiviteye sahip oksijen içeren moleküller) özellikle değişen çevre koşulları altında burada oluşabilmektedir.
Demir metoksi gruplarının kilidini açar
Reaktif demir-oksijen türleri, mikroorganizmaların katılımı olmadan lignine saldırdığında, metoksi grupları (-OCH₃) doğrudan biyopolimerden salınır. Daha önce bilinen bozunma yolları bu tür grupların yalnızca metil payını serbest bırakıyor. Demetoksilasyon sırasında doğal koşullar altında metanol ve ardından formaldehit oluşur.
Dr. Frank Keppler liderliğindeki biyojeokimya araştırma grubunda laboratuvar deneylerini yürüten Yer Bilimleri Enstitüsü’nden Dr. Jonas Hädeler şöyle açıklıyor: “Reaksiyon ortam sıcaklığında ve su içinde normal basınç altında gerçekleşir ve yalnızca daha yüksek sıcaklıklarda yoğunlaşır. Şimdiye kadar yalnızca endüstriden biliniyordu; 285 santigrat derecenin üzerindeki sıcaklıklar kullanılarak, daha yüksek basınçta ve hidrojen atmosferi kullanılarak.”
Araştırmacılar, bireysel atomların daha ağır varyantlarla değiştirildiği izotop işaretli moleküllerle reaksiyon yolunu doğrudan takip etti. Metoksi grubu bir birim olarak bölünür ve yalnızca metil gruplarının çıkarıldığı işlemlerden farklı olarak metanol oluşturur.
Dr. Peter Comba’nın çalışma grubunun kuantum kimyasal hesaplamaları, laboratuvar deneylerinin sonuçlarını desteklemektedir. Araştırması Heidelberg Üniversitesi İnorganik Kimya Enstitüsü’nde olan Comba şöyle açıklıyor: “Bunlar, tüm metoksi grubunun bölünmesi için en düşük enerji bariyerini gösteriyor; bu, kimyasal açıdan araştırılan reaktif yolların en uygunudur. Bu, deneysel gözlemlerle tam olarak eşleşiyor.”
Heidelberg araştırmacılarının sterilize edilmiş toprak numuneleri üzerinde yaptığı deneyler, sürecin doğal topraklarda meydana geldiğini gösteriyor: Demir veya reaktif oksijen türleri eklenmeden, yalnızca ıslatma yoluyla metanol ve ardından formaldehit oluştu.
Metanol oluşumu ayrıca birkaç ıslanma-kurutma döngüsü boyunca da devam etti. Metoksi grupları önceden kasıtlı olarak çıkarıldığında bu durum gerçekleşmedi. Buna karşılık, işlenmemiş, biyolojik olarak aktif topraklarda mikroorganizmalar hızla tükettiğinden çok daha az metanol bulunur. Hädeler, “Dolayısıyla öncelikle abiyotik kimyayı ve mikrobiyal metabolizmayı birbirine bağlayan bir ara ürün olarak işlev görüyor” diyor.
Sıcaklık atmosferik soruları gündeme getiriyor
Keppler, “Metanol ve formaldehit bileşiklerinin aynı zamanda lignin açısından zengin organik malzemelerden tamamen kimyasal olarak salınabilmesi bizi şaşırttı” diyor. Atmosfere girerlerse fotokimyasal reaksiyonları ve atmosfer kimyasını etkilerler. Farklı sıcaklıklarda yapılan deneyler, sıcaklık arttıkça oluşumlarının arttığını göstermektedir.
Araştırmaları metanol gibi küçük karbon bileşiklerinin çevrede nereden kaynaklandığına odaklanan Heidelberg Yer bilimcisi, “İklim bağlamında bunun anlamı, daha sonraki saha çalışmalarının açıklığa kavuşturması gereken bir şeydir” diyor. Ayrıca mevcut araştırma bulguları, yakın gelecekte ligninin kağıt endüstrisinin bir yan ürünü olarak kullanılması açısından ilgi çekici olabilir.
Gaby Clark
İngilizce Yüksek Lisans, 2021’den beri yüksek öğrenim ve sağlık içeriğinde deneyime sahip metin editörü. Güvenilir bilim haberlerine adanmıştır.
Tam profil →
Robert Egan
Matematiksel biyoloji alanında lisans, yaratıcı yazarlıkta yüksek lisans. Bilim ve dil üzerine eşsiz bakış açılarıyla çok seyahat ettim.
Tam profil →
