Скрытые «электронные магистрали» под землёй могут произвести революцию в очистке от загрязнений

Подземные «электронные магистрали» Земли могут стать ключом к очистке от загрязнений и поддержанию экосистем. Автор: AI/ScienceDaily.com

Под нашими ногами невидимый мир обмена электронами незаметно управляет химическими процессами, которые поддерживают экосистемы, контролируют качество воды и даже определяют судьбу загрязняющих веществ. Новый обзор, опубликованный в журнале Environmental and Biogeochemical Processes, проливает свет на то, как электроны перемещаются через почвы и осадочные породы на удивительно большие расстояния — иногда достигая сантиметров и даже метров — переосмысливая наше понимание подземных сред и предлагая новые стратегии для очистки от загрязнений.

Окислительно-восстановительные реакции — процесс передачи электронов между химическими веществами — являются основополагающими для жизни и стабильности окружающей среды. Они определяют, как циркулируют питательные вещества, как перемещаются загрязнители и как микробы получают энергию. Традиционно учёные полагали, что эти реакции ограничены микроскопическими «горячими точками» на поверхности минералов или микробов. Однако новое исследование, проведённое учёными из Китайского университета геонаук, показывает, что перенос электронов в недрах может распространяться далеко за пределы наномасштаба, связывая удалённые химические зоны в обширные подземные электронные сети.

В самых малых масштабах перенос электронов происходит непосредственно на границах раздела минерал-вода или микроб-минерал, где отдельные молекулы или клетки обмениваются электронами на расстоянии нанометров. Но недавние открытия выявили более впечатляющие процессы: проводящие минералы, природные органические молекулы и даже специализированные бактерии, известные как «кабельные бактерии», могут действовать как электронные мосты, передавая заряд на расстояние сантиметров. В некоторых случаях ступенчатые соединения образуют «цепи дальнего переноса электронов», которые охватывают десятки сантиметров или более, фактически создавая подземные электронные магистрали.

«Эти находки бросают вызов старому представлению о том, что перенос электронов строго локален», — сказал соответствующий автор статьи профессор Сунху Юань. — «Теперь мы знаем, что окислительно-восстановительные процессы могут соединяться на удивительно больших расстояниях, связывая реакции в одной зоне с реакциями в другой. Это имеет глубокие последствия для восстановления загрязнённых территорий и экологической устойчивости».

В обзоре подчёркивается, как эти многоуровневые процессы переноса электронов влияют как на природные циклы, так и на управление загрязнениями, вызванными деятельностью человека. Например, дальний перенос электронов может обеспечить «удалённое восстановление», при котором загрязнители разлагаются в труднодоступных зонах без прямого введения химических реагентов. Проводящие минералы или добавленный биоуголь могут расширить микробную активность, в то время как кабельные бактерии помогают связывать кислород на поверхности осадка с сульфидами в глубине, сокращая вредные выбросы.

Авторы также обозначают следующие рубежи в исследованиях переноса электронов: разработка более совершенных инструментов для измерения потоков электронов в различных масштабах, создание моделей, интегрирующих наномасштабные реакции с полевыми процессами, и проектирование технологий восстановления, которые используют эти природные электронные пути.

«Наша работа предоставляет концептуальную основу для восприятия недр как взаимосвязанной окислительно-восстановительной системы», — сказал соавтор доктор Янтин Чжан. — «Понимая, как электроны движутся под землёй, мы можем лучше предсказать судьбу питательных веществ и загрязнителей и разработать более эффективные стратегии для защиты грунтовых вод и экосистем».

Этот синтез соединяет фундаментальную науку с практическими приложениями, вселяя надежду, что будущие экологические инженеры однажды смогут «подключиться» к собственной «электронной сети» Земли для восстановления загрязнённых почв и водоносных горизонтов.

Источники: sciencedaily.com

Материалы предоставлены Редакцией Biochar, Сельскохозяйственный университет Шэньяна.

Yanting Zhang, Man Tong, Peng Zhang, Andreas Kappler, Songhu Yuan. Different scales of electron transfer processes in the subsurface. Environmental and Biogeochemical Processes, 12 сентября 2025 DOI: 10.48130/ebp-0025-0003