Forskare vid Caltech och USC har upptäckt ett sätt att påskynda den långsamma delen av den kemiska reaktionen som i slutändan hjälper jorden att säkert låsa sig, eller sequester, koldioxid ut i havet. Lägg bara till ett vanligt enzym till mixen, forskarna har funnit, kan få den hastighetsbegränsande delen av processen att gå 500 gånger snabbare.

En tidning om arbetet dyker upp online veckan den 17 juli före publicering i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Medan det nya dokumentet handlar om en grundläggande kemisk mekanism, innebörden är att vi bättre kan efterlikna den naturliga processen som lagrar koldioxid i havet, " säger huvudförfattaren Adam Subhas, en Caltech doktorand och Resnick Sustainability Fellow.

Forskningen är ett samarbete mellan Jess Adkins från Caltechs labb och Will Berelson från USC. Teamet använde isotopmärkning och två metoder för att mäta isotopförhållanden i lösningar och fasta ämnen för att studera kalcit - en form av kalciumkarbonat - som löser sig i havsvatten och mäter hur snabbt det sker på molekylär nivå.

Allt började med en mycket enkel, mycket grundläggande problem:att mäta hur lång tid det tar för kalcit att lösa sig i havsvatten. "Även om ett till synes okomplicerat problem, reaktionens kinetik är dåligt förstådd, säger Berelson, professor i geovetenskaper vid USC Dornsife College of Letters, Konst och vetenskap.

Kalcit är ett mineral tillverkat av kalcium, kol, och syre som är mer känt som den sedimentära prekursorn till kalksten och marmor. I havet, kalcit är ett sediment som bildas från skal av organismer, som plankton, som har dött och sjunkit till havsbotten. Kalciumkarbonat är också det material som utgör korallreven - korallpolypens exoskelett.

När atmosfärens koldioxidnivåer har stigit över 400 ppm – ett symboliskt riktmärke för klimatforskare som bekräftar att effekterna av växthusgaserna i atmosfären kommer att märkas i generationer framöver – har ythaven absorberat mer och mer av den koldioxiden . Detta är en del av en naturlig buffertprocess – haven fungerar som en viktig reservoar av koldioxid. För närvarande, de innehåller ungefär 50 gånger så mycket av växthusgasen som atmosfären.

Dock, det finns en andra, långsammare, buffringsprocess som tar bort koldioxid från atmosfären. Koldioxid är en syra i havsvatten, precis som det är i kolsyrade läsk (vilket är en del av varför de tär på din tandemalj). Det försurade ytvattenvattnet kommer så småningom att cirkulera till djupet där de kan reagera med de döda kalciumkarbonatskalen på havsbotten och neutralisera den tillsatta koldioxiden. Dock, denna process kommer att ta tiotusentals år att slutföra och under tiden, det allt surare ytvattnet tär på korallreven. Men hur snabbt kommer korallen att lösas upp?

"Vi bestämde oss för att ta itu med det här problemet eftersom det är lite pinsamt, kunskapsläget uttryckt i litteraturen, säger Adkins, Smits familjeprofessor i geokemi och global miljövetenskap vid Caltech. "Vi kan inte berätta hur snabbt korallen kommer att lösas upp."

Tidigare metoder förlitade sig på att mäta förändringen i pH i havsvattnet när kalciumkarbonat löstes, och därav sluta upplösningshastigheter. (När kalciumkarbonat löses upp, det höjer pH i vattnet, vilket gör det mindre surt.) Subhas och Adkins valde istället att använda isotopmärkning.

Kolatomer finns i två stabila former i naturen. Cirka 98,9 procent av det är kol-12, som har sex protoner och sex neutroner. Cirka 1,1 procent är kol-13, med en extra neutron.

Subhas och Adkins konstruerade ett prov av kalcit gjord helt av det sällsynta kolet-13, och löste det sedan i havsvatten. Genom att mäta förändringen i förhållandet mellan kol-12 och kol-13 i havsvattnet över tiden, de kunde kvantifiera upplösningen på molekylär nivå. Deras metod visade sig vara cirka 200 gånger känsligare än jämförbara tekniker för att studera processen.

På papper, reaktionen är ganska enkel:Vatten plus koldioxid plus kalciumkarbonat är lika med lösta kalcium- och bikarbonatjoner i vatten. I praktiken, det är komplext. "På något sätt, kalciumkarbonat bestämmer sig för att spontant dela sig själv på mitten. Men vad är den faktiska kemiska vägen som reaktionen tar?" säger Adkins.

Studera processen med en sekundär jonmasspektrometer (som analyserar ytan på ett fast ämne genom att bombardera det med en jonstråle) och en kavitets-ringdown-spektrometer (som analyserar förhållandet 13C/12C i lösning), Subhar upptäckt att den långsamma delen av reaktionen är omvandlingen av koldioxid och vatten till kolsyra.

"Denna reaktion har förbisetts, " Subhas säger. "Det långsamma steget är att skapa och bryta kol-syrebindningar. De gillar inte att gå sönder; de är stabila former."

Beväpnad med denna kunskap, teamet lade till enzymet kolsyraanhydras – som hjälper till att upprätthålla pH-balansen i blod hos människor och andra djur – och kunde påskynda reaktionen i storleksordningar.

"Detta är ett av de sällsynta ögonblicken i ens karriärs båge dit du bara går, "Jag upptäckte precis något som ingen någonsin visste, '" säger Adkins.