Nuova analisi della degradazione meteorica traccia con precisione il flusso geochimico sotto la superficie terrestre
Lo sfruttamento delle risorse naturali sulla superficie della Terra sta avvenendo a un ritmo e su una scala senza precedenti. Se si vuole che questo utilizzo di suolo, acqua e metalli di valore sia sostenibile, deve diventare più efficiente. Per fare ciò è necessaria una migliore comprensione dei processi biogeochimici trasformativi coinvolti quando gli elementi chimici si spostano dalla roccia al suolo, nelle piante, attraverso le falde acquifere, nelle acque fluviali e nei giacimenti di minerali. Il progetto IsoNose, finanziato dall’UE, è stato ideato per usare i recenti progressi tecnologici, in particolare nel campo della spettrometria di massa, al fine di esaminare la formazione di queste risorse naturali e aprire dunque il settore a migliori prassi. Il progetto ha gettato ulteriore luce non solo sul modo in cui la superficie della Terra trasporta gli elementi chimici disciolti, ma anche su come i metalli cambiano la loro impronta isotopica, quando vengono assorbiti dagli organismi. Misurare gli isotopi con la spettrometria di massa La roccia è trasformata in suolo (degradazione meteorica) quando l’acqua scorre attraverso le fessure nelle rocce e le conseguenti reazioni chimiche convertono i minerali primari in minerali secondari, con il carbonio organico che si accumula vicino alla superficie della Terra e uno strato di suolo che rimane più sotto. Questo processo normalmente avviene in migliaia di anni La dissoluzione della roccia ha come risultato che ciascuno degli elementi chimici prima intrappolati, come ad esempio magnesio, ferro o zinco (facendo esempi di metalli) intraprende un percorso differente. Alcuni si spostano in suoli di recente formazione, altri sono consumati dalle piante e altri ancora si disciolgono nei fiumi. Per apprendere di più sulla composizione e la trasformazione degli elementi metallici nello specifico, il gruppo di ricerca di IsoNose ha raccolto rocce ospitanti, suolo degradato e sedimenti, oltre a campioni d’acqua, per l’analisi in laboratorio. L’analisi ha fatto affidamento sulla misurazione degli isotopi di questi elementi (la variazione del loro peso atomico o della loro massa) nei campioni. I ricercatori hanno utilizzato il cosiddetto «frazionamento isotopico», ovvero la preferenza di certi isotopi (con pesi atomici più pesanti o leggeri) di entrare in un dato materiale che si è formato sulla superficie della Terra mediante degradazione meteorica, per esempio. Ciò poi fornisce un indizio sulle probabili cause di queste trasformazioni (come ad esempio il cambiamento climatico). Il gruppo di ricerca ha per prima cosa pesato i campioni per determinare la quantità di ciascun elemento che contenevano, con un procedimento chiamato cromatografia poi impiegato per separare gli elementi tra loro. Uno spettrometro di massa è stato quindi utilizzato per misurare gli isotopi iniettando le particelle ionizzate di questi ultimi in un tubo con un campo elettrico, separando gli isotopi più leggeri da quelli più pesanti, assegnando così a ogni campione un valore relativo alla proporzione degli isotopi. Come spiega meglio il professor Friedhelm von Blanckenburg, il coordinatore del progetto, «la combinazione di questo metodo esistente della “spettrometria di massa multicollettore accoppiata induttivamente” con una tecnica chiamata ablazione laser a femtosecondi si è dimostrata essere estremamente potente. Questa combinazione ha misurato con grande precisione e simultaneamente minuscoli cambiamenti nell’abbondanza relativa degli isotopi di elementi metallici e nelle quantità chimiche sui solidi con una risoluzione di pochi millesimi di millimetro». Verso migliori pratiche e una portata più ampia Da un punto di vista ambientale, la ricerca di IsoNose può essere usata per spiegare come la superficie della Terra abbia regolato il clima e i gas a effetto serra per milioni di anni. Queste tecniche possono anche essere utilizzate per identificare sorgenti di inquinanti ambientali, oltre che per determinare l’efficacia degli sforzi di bonifica. La misurazione degli isotopi metallici aumenta anche la comprensione di come questi elementi siano apparsi innanzitutto all’interno delle rocce, offrendo all’industria mineraria conoscenze per un’estrazione più sostenibile. Come dice il professor von Blanckenburg, «abbiamo fornito un quadro scientifico, con dati sperimentali, per un uso migliore delle risorse della superficie terrestre in una maniera che non ne comprometterà l’utilizzo da parte delle generazioni future». Un’altra probabile area della ricerca futura è quella del trasferimento di queste tecniche nelle pratiche di gestione del suolo, per una produzione alimentare che possa soddisfare più efficacemente i bisogni di una popolazione globale che supera adesso di molto i sette miliardi e che aumenta velocemente. La misurazione degli isotopi metallici potrebbe aiutare a tracciare accuratamente i percorsi dei nutrienti minerali dai terreni alle piante e portare quindi a fertilizzanti più mirati, oltre che alla creazione di biomarcatori per le malattie. Il professor von Blanckenburg conclude: «I nostri ricercatori useranno IsoNose come una piattaforma da cui guidare questo campo emergente in nuove aree tra cui le geoscienze, le scienze forensi ambientali, le scienze biomediche e la prospezione delle risorse minerarie».
Parole chiave
IsoNose, suolo, roccia, degradazione meteorica, acqua, minerali, elementi metallici, isotopi, giacimenti minerali, spettrometro di massa, produzione alimentare