Hoe organische stof water in de bodem vasthoudt, zelfs in de droogste omstandigheden

Krediet: Pixabay/CC0 Publiek Domein

Van levenslange boeren tot tuinliefhebbers, de meeste plantenliefhebbers weten dat het toevoegen van organisch materiaal aan een veld, groentetuin of bloempot de vochtigheid van de bodem verhoogt. Voor het eerst hebben wetenschappers van de Northwestern University de moleculaire mechanismen ontdekt die het mogelijk maken dat organisch materiaal de waterretentiecapaciteit van de bodem vergroot, zelfs onder woestijnachtige omstandigheden. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift PNAS Nexus.

De onderzoekers ontdekten dat koolhydraten, die essentiële componenten zijn van planten en microben, fungeren als een moleculaire lijm. Ze gebruiken water om plakkerige bruggen te vormen tussen organische moleculen en bodemmineralen. Deze bruggen houden vocht vast dat anders zou verdampen. Deze ontdekking werpt licht op hoe bodems vochtig blijven tijdens droogte en zelfs hoe water miljarden jaren kan overleven in andere wereldse gesteenten, waaronder op Mars en in meteorieten.

“De juiste hoeveelheid mineralen en organisch materiaal in de bodem leidt tot gezonde bodems met goede vochtigheid,” zei Ludmilla Aristilde van Northwestern, die de studie leidde. “Iedereen heeft dit wel eens ervaren, maar we hebben de fysica en chemie van hoe dat werkt nog niet volledig begrepen. Door dit te doorgronden, zouden we de bodem mogelijk kunnen aanpassen om de juiste chemie te hebben, waardoor het een langdurige spons wordt die vocht behoudt.”

Aristilde, een expert in de dynamiek van organische stoffen in milieuprocessen, is universitair hoofddocent civiele en milieutechniek aan de McCormick School of Engineering van Northwestern en is lid van het Center for Synthetic Biology, het International Institute for Nanotechnology en het Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Recent afgestudeerde Sabrina Kelch en postdoctoraal onderzoeker Benjamin Barrios-Cerda, beide uit Aristilde’s laboratorium, zijn respectievelijk de eerste en tweede auteur van het artikel.

Water-vastbindende bruggen

Om de studie uit te voeren, mengde Aristilde’s team een veelvoorkomend kleimineral (smectiet) met drie soorten koolhydraten: glucose, amylose en amylopectine. Glucose is een eenvoudig koolhydraat of suiker, terwijl amylose en amylopectine complexe polymeren in zetmeel zijn, gemaakt door glucose-eenheden aan elkaar te koppelen. Amylose is een lange, lineaire keten van glucose; amylopectine is ook een lange keten, maar heeft boomachtige vertakkingen.

“We besloten koolhydraten te gebruiken als een soort organisch materiaal omdat het overal voorkomt,” zei Aristilde. “Cellulose, het meest voorkomende biopolymeer op aarde, is gemaakt van glucose, en planten en microben scheiden verschillende, eenvoudige tot complexe koolhydraten in de bodem af. We kozen ook voor koolhydraten omdat ze een eenvoudige chemie hebben, zodat we onze resultaten niet compliceren met bepaalde nevenreacties.”

Met behulp van een combinatie van moleculaire dynamicasimulaties, kwantummechanica en laboratoriumexperimenten onderzocht Aristilde en haar team de nanoschaal interacties tussen kleimineralen, watermoleculen en de drie soorten koolhydraatverbindingen. De wetenschappers ontdekten dat waterstofbindingen een cruciaal mechanisme bieden dat het mogelijk maakt dat klei en koolhydraten water vasthouden.

Een zwakke, aantrekkende kracht, waterstofbindingen zorgen ervoor dat watermoleculen “plakken” en samen een druppel vormen of door een kraan stromen. Aristilde’s team ontdekte dat water ook waterstofbindingen vormt met het oppervlak van kleimineralen en koolhydraten tegelijkertijd, waardoor er bruggen van water tussen de twee entiteiten ontstaan. Deze bruggen houden water strakker vast, waardoor het minder waarschijnlijk verdampt.

“Wanneer een watermolecuul wordt vastgehouden via een waterstofbinding met een koolhydraat en een waterstofbinding met het oppervlak van een mineraal, heeft dit water een sterke bindingsenergie en is het vast tussen de twee dingen waarmee het interacteert,” zei Aristilde.

Complexe suikers verhogen bindingssterkte

Met behulp van moleculaire simulaties ontdekten de onderzoekers dat watermoleculen die zich tussen het oppervlak van het kleimineral en de koolhydraten bevonden, een sterkere bindingsenergie hadden in vergelijking met water dat alleen aan klei was gebonden. In feite hielpen complexe suikerketens de klei om water tot vijf keer strakker vast te houden dan klei zonder een bijbehorend koolhydraat. Zelfs onder extreem droge omstandigheden was water dat aan klei en koolhydraten was gebonden veel minder waarschijnlijk om te verdampen en viel het meer in de nanoporiën van de klei vast.

“We verhoogden de temperatuur om het waterverlies te meten in zowel de aanwezigheid als afwezigheid van koolhydraten,” zei Aristilde. “Vergeleken met de klei alleen, was er een hogere temperatuur nodig om water uit de matrix te laten ontsnappen in aanwezigheid van de klei en koolhydraten samen. Dit betekent dat het water sterker werd vastgehouden in aanwezigheid van de koolhydraten.”

De vertakte en lange-keten koolhydraten voorkwamen ook dat de poriën van de klei volledig instortten onder droge omstandigheden. Gewoonlijk krimpen de nanoschaalporiën van klei naarmate deze uitdroogt, met toenemend waterverlies uit de poriën. Maar de complexe koolhydraten kunnen de volledige instorting van de kleinano-pore voorkomen. Dit kan helpen om de vochtretentie van de gevangen organische stoffen in de poriën gedurende lange tijd te behouden, ook tijdens droogte.

Deze nieuwe informatie zal niet alleen helpen om de bodem op onze eigen planeet beter te begrijpen, maar kan ook nieuwe inzichten bieden over buren in ons zonnestelsel en daarbuiten. “Hoewel ons doel was om te begrijpen hoe de bodem op aarde zijn vocht vasthoudt, kunnen de mechanismen die we hier hebben ontdekt implicaties hebben voor het begrijpen van verschijnselen buiten onze planeet,” zei Aristilde. “Er is veel interesse in hoe deze relatie tussen organische stoffen en water zich op andere planeten zou kunnen afspelen, vooral die welke ooit leven zouden hebben gehad.”