Nowa analiza procesów wietrzenia umożliwia dokładne śledzenie strumienia geochemicznego pod powierzchnią Ziemi
Wykorzystywanie zasobów naturalnych na powierzchni Ziemi odbywa się w niespotykanym dotąd tempie i na niespotykaną dotąd skalę. Jeśli eksploatacja gleby, wody i metali szlachetnych ma być zrównoważona, musi stać się bardziej efektywna. Osiągnięcie tego celu zależy od lepszego zrozumienia transformacyjnych procesów biogeochemicznych, które zachodzą, gdy pierwiastki chemiczne przemieszczają się ze skały do gleby, do roślin, przez wody gruntowe, do wód rzecznych i do złóż rud. Finansowany przez UE projekt IsoNose został zainicjowany w celu wykorzystania najnowszych osiągnięć technologicznych, szczególnie w dziedzinie spektrometrii mas, do zbadania tworzenia się tych zasobów naturalnych i tym samym otwarcia pola dla lepszych praktyk. Projekt rzuca światło nie tylko na sposób, w jaki powierzchnia Ziemi przenosi rozpuszczone pierwiastki chemiczne, ale także na sposób, w jaki metale zmieniają swoje profile izotopowe, kiedy są wchłaniane przez organizmy. Pomiar izotopów metodą spektrometrii mas Skała jest przekształcana w glebę (w procesie wietrzenia), kiedy woda przepływa przez szczeliny skalne, a następnie reakcje chemiczne przekształcają minerały pierwotne w minerały wtórne, przy czym węgiel organiczny gromadzi się w pobliżu powierzchni Ziemi, a warstwa gleby pozostaje pod nią. Proces ten trwa zwykle tysiące lat. W wyniku rozpuszczania skał każdy z pierwiastków chemicznych, które zostały wychwycone, takich jak magnez, żelazo lub cynk (na przykładzie metali), może podążać różnymi drogami. Niektóre z nich przemieszczają się do nowo uformowanej gleby, inne są spożywane przez rośliny, a niektóre rozpuszczają się w rzekach. Aby dowiedzieć się więcej na temat składu i transformacji pierwiastków metalicznych, zespół IsoNose zebrał do analizy laboratoryjnej skały macierzyste, zwietrzeliny i osady, a także próbki wody. Analiza polegała na pomiarze izotopów tych pierwiastków (ich różnej masy atomowej) w próbkach. Uczeni wykorzystali tzw. „frakcjonowanie izotopów” – preferencję niektórych izotopów (o większej lub mniejszej masie atomowej) do przemieszczania się w danym materiale, który tworzy się na powierzchni Ziemi, na przykład w wyniku wietrzenia. Wskazuje to na prawdopodobne przyczyny tych przemian (takie jak zmiany klimatu). Zespół najpierw zważył próbki w celu określenia ilości każdego z zawartych w nich pierwiastków, które zostały od siebie oddzielone za pomocą procesu zwanego chromatografią. Następnie do pomiaru izotopów zastosowano spektrometr mas, wstrzykując zjonizowane cząstki izotopów do celi pomiarowej z polem elektrycznym, co pozwoliło na oddzielanie lżejszych izotopów od cięższych i określenie wartości współczynnika izotopów każdej próbki. Profesor Friedhelm von Blanckenburg, koordynator projektu, wyjaśnia: „Połączenie tej istniejącej metody »wielokolektorowej spektrometrii mas z jonizacją w plazmie indukcyjnie sprzężonej« z techniką zwaną femtosekundową ablacją laserową okazało się niezwykle efektywne. Kombinacja ta umożliwiła bardzo precyzyjny i jednoczesny pomiar niewielkich zmian względnej liczebności izotopów pierwiastków metalicznych w ciałach stałych z rozdzielczością kilku tysięcznych części milimetra”. Udoskonalenie metod i poszerzenie zakresu badań Z punktu widzenia ochrony środowiska, badania IsoNose mogą być wykorzystane do wyjaśnienia, w jaki sposób powierzchnia Ziemi regulowała klimat i gazy cieplarniane na przestrzeni milionów lat. Techniki te mogą być również stosowane do identyfikacji źródeł zanieczyszczeń środowiska, jak również do określania skuteczności działań naprawczych. Pomiar izotopów metali pozwala również lepiej zrozumieć, w jaki sposób pierwiastki te znalazły się w skałach, oferując przemysłowi wydobywczemu wiedzę na temat bardziej zrównoważonego wydobycia. Profesor von Blanckenburg tłumaczy: „Stworzyliśmy ramy naukowe, wraz z danymi empirycznymi, umożliwiające lepsze wykorzystanie powierzchniowych zasobów Ziemi w sposób, który nie wpłynie negatywnie na korzystanie z nich przez przyszłe pokolenia”. Innym prawdopodobnym obszarem przyszłych badań jest przeniesienie tych technik do praktyk gospodarowania glebą w celu produkcji żywności, która może skuteczniej zaspokajać potrzeby szybko się powiększającej światowej populacji, która obecnie liczy już ponad siedem miliardów ludzi. Pomiary izotopów metali mogą pomóc w dokładnym śledzeniu drogi składników mineralnych od gleby do roślin i w ten sposób prowadzić do stworzenia bardziej ukierunkowanych nawozów, jak również do wyłonienia biomarkerów chorób. Podsumowując, profesor von Blanckenburg mówi: „Nasi badacze wykorzystają IsoNose jako platformę, z której będą mogli poprowadzić tę powstającą dziedzinę w nowe obszary, takie jak nauki o Ziemi, kryminalistyka środowiskowa, biomedycyna i poszukiwanie zasobów mineralnych”.
Słowa kluczowe
IsoNose, gleba, skała, wietrzenie, woda, minerały, pierwiastki metaliczne, izotopy, złoża rudy, spektrometr mas, produkcja żywności
