Les scientifiques de Caltech et de l'USC ont découvert un moyen d'accélérer la partie lente de la réaction chimique qui aide finalement la terre à se verrouiller en toute sécurité, ou séquestre, dioxyde de carbone dans l'océan. En ajoutant simplement une enzyme commune au mélange, les chercheurs ont trouvé, peut rendre cette partie du processus limitant le débit 500 fois plus rapide.

Un article sur le travail paraît en ligne la semaine du 17 juillet avant sa publication dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

"Alors que le nouvel article traite d'un mécanisme chimique de base, l'implication est que nous pourrions mieux imiter le processus naturel qui stocke le dioxyde de carbone dans l'océan, " dit l'auteur principal Adam Subhas, un étudiant diplômé de Caltech et Resnick Sustainability Fellow.

La recherche est une collaboration entre les laboratoires de Jess Adkins de Caltech et Will Berelson d'USC. L'équipe a utilisé le marquage isotopique et deux méthodes de mesure des rapports isotopiques dans les solutions et les solides pour étudier la calcite - une forme de carbonate de calcium - se dissolvant dans l'eau de mer et mesurer la vitesse à laquelle elle se produit au niveau moléculaire.

Tout a commencé par un très simple, problème très basique :mesurer le temps qu'il faut à la calcite pour se dissoudre dans l'eau de mer. "Bien qu'il s'agisse d'un problème apparemment simple, la cinétique de la réaction est mal connue, " dit Berelson, professeur de sciences de la terre à l'USC Dornsife College of Letters, Arts et Sciences.

La calcite est un minéral composé de calcium, carbone, et l'oxygène qui est plus communément connu comme le précurseur sédimentaire du calcaire et du marbre. Dans l'océan, la calcite est un sédiment formé à partir des coquilles d'organismes, comme le plancton, qui sont morts et ont coulé au fond de la mer. Le carbonate de calcium est également le matériau qui compose les récifs coralliens, l'exosquelette du polype corallien.

Alors que les niveaux de dioxyde de carbone atmosphérique ont dépassé les 400 parties par million - une référence symbolique pour les climatologues confirmant que les effets des gaz à effet de serre dans l'atmosphère se feront sentir pour les générations à venir - les océans de surface ont absorbé de plus en plus de ce dioxyde de carbone. . Cela fait partie d'un processus tampon naturel :les océans agissent comme un réservoir majeur de dioxyde de carbone. Au moment présent, ils contiennent environ 50 fois plus de gaz à effet de serre que l'atmosphère.

Cependant, il y a une seconde, Ralentissez, processus tampon qui élimine le dioxyde de carbone de l'atmosphère. Le dioxyde de carbone est un acide dans l'eau de mer, tout comme dans les sodas gazeux (ce qui explique en partie pourquoi ils rongent l'émail de vos dents). Les eaux océaniques de surface acidifiées finiront par circuler vers les profondeurs où elles pourront réagir avec les coquilles de carbonate de calcium mortes au fond de la mer et neutraliser le dioxyde de carbone ajouté. Cependant, ce processus prendra des dizaines de milliers d'années pour se terminer et en attendant, les eaux de surface de plus en plus acides rongent les récifs coralliens. Mais à quelle vitesse le corail va-t-il se dissoudre ?

"Nous avons décidé de nous attaquer à ce problème parce que c'est un peu embarrassant, l'état des connaissances exprimé dans la littérature, " dit Adkins, Professeur de la famille Smits de géochimie et de sciences de l'environnement mondial à Caltech. "Nous ne pouvons pas vous dire à quelle vitesse le corail va se dissoudre."

Les méthodes antérieures reposaient sur la mesure du changement de pH dans l'eau de mer lors de la dissolution du carbonate de calcium, et en déduire les taux de dissolution. (À mesure que le carbonate de calcium se dissout, il augmente le pH de l'eau, le rendant moins acide.) Subhas et Adkins ont plutôt choisi d'utiliser l'étiquetage isotopique.

Les atomes de carbone existent sous deux formes stables dans la nature. Environ 98,9 pour cent de celui-ci est du carbone-12, qui a six protons et six neutrons. Environ 1,1 pour cent est du carbone-13, avec un neutron supplémentaire.

Subhas et Adkins ont conçu un échantillon de calcite entièrement composé du rare carbone-13, puis dissous dans l'eau de mer. En mesurant l'évolution du rapport du carbone 12 au carbone 13 dans l'eau de mer au cours du temps, ils ont pu quantifier la dissolution au niveau moléculaire. Leur méthode s'est avérée environ 200 fois plus sensible que des techniques comparables pour étudier le processus.

Sur papier, la réaction est assez simple :l'eau plus le dioxyde de carbone plus le carbonate de calcium sont égaux aux ions calcium et bicarbonate dissous dans l'eau. En pratique, c'est complexe. "En quelque sorte, le carbonate de calcium décide spontanément de se couper en deux. Mais quelle est la véritable voie chimique que prend cette réaction ?", explique Adkins.

Étudier le processus avec un spectromètre de masse à ions secondaires (qui analyse la surface d'un solide en le bombardant d'un faisceau d'ions) et un spectromètre à cavité annulaire (qui analyse le rapport 13C/12C en solution), Subhas a découvert que la partie lente de la réaction est la conversion du dioxyde de carbone et de l'eau en acide carbonique.

"Cette réaction a été négligée, " Subhas dit. " L'étape lente consiste à créer et à rompre les liaisons carbone-oxygène. Ils n'aiment pas casser; ce sont des formes stables."

Armé de cette connaissance, l'équipe a ajouté l'enzyme anhydrase carbonique, qui aide à maintenir l'équilibre du pH du sang chez l'homme et d'autres animaux, et a pu accélérer la réaction de plusieurs ordres de grandeur.

"C'est l'un de ces rares moments dans l'arc de sa carrière où vous allez juste, 'Je viens de découvrir quelque chose que personne n'a jamais su, '", dit Adkins.