Suelos y Nanotecnología: El Mapa de los Microagregados del Suelo

El 30 de Abril de 2008 la Revista Nature Geoscience publicó un artículo en donde se detallan los resultados del análisis de la primera imagen a nivel de nanoescala de un microagregado de un suelo.  Se abre así una nueva línea de investigación en edafología que, con toda seguridad, va a proporcionar una nueva perspectiva de su objeto de estudio. Johannes Lehmann de la Universidad de Cornell parece ser uno de los pioneros en la materia. En realidad, no se trata de su primera publicación sobre el tema, ni mucho menos. Abajo os mostramos un artículo de la Revista de la Sociedad Americana de la Ciencia del Suelo sobre el tema, que puede bajarse libremente de Internet. Ambos abordan el análisis a nanoescalas de los agregados del suelo. En otro post que editaremos en poco tiempo, reflejaremos una noticia que une la nanoedafología y la etnoedafología y dejará sorprendidos a la mayor parte de la audiencia. Pero esa es otra historia.

 

 

 

Johannes Lehmann (Foto)

He estado husmeando en la Web y he logrado tener acceso a los dos artículos mencionados, aunque Johannes ha escrito varios más. No soy experto en el tema, por lo que me ceñiré   a redactar una breve síntesis, muy personal, remitiendo a los interesados a los resúmenes que incluimos en el post y los enlaces. Las imágenes del microagregado fueron obtenidas con una resolución de 50 manómetros. Recordemos que 1 manómetro es igual a la amplitud de tres átomos de silicio. Más concretamente El nanómetro es la unidad de longitud que equivale a una milmillonésima parte de un metro, como nos recuerda Wikipedia.

 

 

 

A nanoscale image of a carbon distribution

map in a soil microaggregate.

(Credit: Image courtesy of Cornell University)

 

Pues bien, Johannes y colaboradores obtuvieron con técnicas muy sofisticadas la imagen mencionada que luego convirtieron en un mapa del microagregado de la cual podían determinar, mediante otros instrumentos, información a cerca de la estructura bioquímica y composición de su materia orgánica. En consecuencia, los datos son enormemente precisos, a nivel espacial. Este hecho abre nuevos caminos para analizar el microcosmos de los suelos. Un análisis de imágenes temporalmente secuenciadas permitiría monitorizar lo que ocurre, por ejemplo, a un microagregado sometido a procesos de desecación y humectación. La heterogeneidad, diversidad y variabilidad que dice encontrar este investigador, a nivel de nanoescala, le pareció increíble. A mi personalmente no. El suelo es reciclador de toda la necromasa que recibe de las más variadas fuentes y esta atesora, por necesidad, una diversidad de compuestos hoy por hoy incalculable. En cualquier caso, si interesa resaltar que en lo que por procedimientos habituales parecía materia orgánica del suelo con propiedades similares, adquiere una enorme riqueza y complejidad a este nivel de resolución.

 

Por todo lo anteriormente dicho, no me cabe la menor duda de que se abre una nueva puerta para el estudio del microcosmos edáfico, y lo que es mejor, incorporando el factor espacio y posiblemente también el del tiempo. Con tales utensilios, al alcance de muy pocos hoy en día, se iniciará una rama de la edafología que nos deparará sorpresas repletas de  paisajes insospechados. Y sin más os dejo con el material que he obtenido de libre acceso en Internet. Sin embargo, recomiendo a los que puedan que se hagan con el artículo original,  por cuanto sus fotografías y mapas no tienen desperdicio.  Barrunto que nuestro conocimiento sobre el suelo va a dar un salto cualitativo impresionante, del que se beneficiará también la propia nanotecnología. ¡Tiempo al tiempo!     

 

Nanoscale Biogeocomplexity of the Organomineral Assemblage in Soil: Application of STXM Microscopy and C 1s-NEXAFS Spectroscopy

 

 

First Nanoscale Image Of Soil Reveals An Incredible Variety, Rich With Patterns

ScienceDaily (Apr. 30, 2008) A handful of soil is a lot like a banana, strawberry and apple smoothie: Blended all together, it is hard to tell what’s in there, especially if you have never tasted the fruits before

But when you look at soil’s organic carbon closely, it has an incredible variety of known compounds. And looking closely is exactly what Cornell researchers have done for the first time — at a scale of 50 nanometers (1 nanometer equals the width of three silicon atoms). Until now, handfuls of soil humus (or the organic component of soil, formed by the decomposition of leaves and other plant material by soil microorganisms) looked remarkably similar.

According to a study published in the April issue of Nature Geoscience, knowing the structure and detailed composition of soil carbon could provide a better understanding of the chemical processes that cycle organic matter in soil. For example, the research may help scientists understand what happens when materials in the soil get wet, warm or cool and how soils sequester carbon, which has implications for climate change.

There is this incredible nanoscale heterogeneity of organic matter in terms of soil,” said Johannes Lehmann, a Cornell associate professor of crop and soil sciences and lead author of the study. “None of these compounds that you can see on a nanoscale level looks anything close to the sum of the entire organic matter.”

The soil measurements (actually, images produced by a highly focused X-ray beam) were made at the National Synchrotron Light Source at Brookhaven National Laboratory using an X-ray spectromicroscopy method developed by physicists at the State University of New York, Stony Brook. The method allowed the researchers to identify forms of organic carbon in the samples.

While the composition of organic carbon in soils from North America, Panama, Brazil, Kenya or New Zealand proved remarkably similar within each sample, the researchers found that within spaces separated by mere micrometers, soils from any of these locations showed striking variation in their compositions. For example, the compounds that “hang on the right and left of a clay mineral may be completely different,” said Lehmann.

The researchers were also able to identify the origins of some of the nano-sized compounds, determining that some of them, for example, were microbe excretions and decomposed leaves. The researchers also recognized patterns of where types of compounds are likely to be found at the nanoscale.

“Now we can start locating certain compounds,” Lehmann said. “We find black carbon as distinct particles in pores, whereas we find microbial products smeared around surfaces of minerals.

The method now allows researchers to break soil down, separate compounds, conduct experiments on individual compounds and better understand the interactions, Lehmann said.

The research was funded by the National Science Foundation.

Adapted from materials provided by Cornell University. 

Nature Geoscience 1, 238 – 242 (2008)
Published online:
23 March 2008 | doi:10.1038/ngeo155

Subject Category: Biogeochemistry

Spatial complexity of soil organic matter forms at nanometre scales

Johannes Lehmann1, Dawit Solomon1, James Kinyangi1, Lena Dathe1, Sue Wirick2 & Chris Jacobsen2

 

Organic matter in soil has been suggested to be composed of a complex mixture of identifiable biopolymers1 rather than a chemically complex humic material2. Despite the importance of the spatial arrangement of organic matter forms in soil3, its characterization has been hampered by the lack of a method for analysis at fine scales. X-ray spectromicroscopy has enabled the identification of spatial variability of organic matter forms, but was limited to extracted soil particles4 and individual micropores within aggregates5, 6. Here, we use synchrotron-based near-edge X-ray spectromicroscopy7 of thin sections of entire and intact free microaggregates6 to demonstrate that on spatial scales below 50 nm resolution, highly variable yet identifiable organic matter forms, such as plant or microbial biopolymers, can be found in soils at distinct locations of the mineral assemblage. Organic carbon forms detected at this spatial scale had no similarity to organic carbon forms of total soil. In contrast, we find that organic carbon forms of total soil were remarkably similar between soils from several temperate and tropical forests with very distinct vegetation composition and soil mineralogy. Spatial information on soil organic matter forms at the scale provided here could help to identify processes of organic matter cycling in soil, such as carbon stability or sequestration and responses to a changing climate.

 

 

Juan José Ibáñez

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