Chất hữu cơ giữ nước trong đất như thế nào?
Nghiên cứu cho thấy: các phân tử nước tạo “cầu nối” giữa khoáng chất và carbohydrate, giúp giữ chặt độ ẩm trong đất.
Giờ đây, lần đầu tiên, các nhà khoa học tại Đại học Northwestern (Mỹ) đã khám phá ra các cơ chế phân tử giúp chất hữu cơ tăng khả năng giữ nước của đất — ngay cả trong điều kiện khô hạn như sa mạc.
“Lượng khoáng và chất hữu cơ phù hợp sẽ tạo ra đất khỏe mạnh, giàu độ ẩm,” giáo sư Ludmilla Aristilde (Đại học Northwestern), người dẫn đầu nghiên cứu cho biết, “Nếu nắm được cơ chế, chúng ta có thể ‘thiết kế’ đất với thành phần hóa học thích hợp, biến nó thành những ‘miếng bọt biển’ lâu dài giữ nước.”
Để phát hiện tính chất hóa lý thú vị này, các nhà nghiên cứu đã trộn một loại khoáng sét phổ biến trong đất (smectite) với ba loại carbohydrate: glucose, amylose và amylopectin.
Carbohydrate rất phổ biến trên Trái đất. Chúng là thành phần chính có trong các loại thực vật và vi sinh vật. Glucose, tức đường đơn, là dạng carbohydrate đơn giản nhất. Amylose và amylopectin là các carbohydrate phức tạp hơn có trong tinh bột, được hình thành từ nhiều đơn vị glucose liên kết lại với nhau. Amylose có cấu trúc chuỗi dài, thẳng; còn amylopectin cũng là chuỗi dài nhưng có các nhánh như cành cây.
Bằng cách kết hợp mô phỏng động lực học phân tử, cơ học lượng tử và thí nghiệm trong phòng lab, nhóm của Aristilde đã phát hiện các liên kết hydro là chìa khóa giúp đất sét và carbohydrate giữ nước.
Liên kết hydro vốn là lực hút yếu, khiến phân tử nước “dính” với nhau thành giọt hoặc dòng chảy. Ở đây, nước đồng thời tạo liên kết hydro với bề mặt khoáng sét và carbohydrate, hình thành “cầu nối” giữa hai thành phần này, giữ chặt nước hơn, làm nước khó bị mất đi qua quá trình bay hơi.
Aristilde giải thích: “Khi một phân tử nước gắn giữa carbohydrate và khoáng chất qua các liên kết hydro, nó sẽ có năng lượng liên kết rất mạnh và gần như bị “mắc kẹt” giữa hai thành phần đó.”
Mô phỏng phân tử cho thấy các phân tử nước nằm giữa bề mặt khoáng chất đất sét và carbohydrate có năng lượng liên kết mạnh hơn so với nước chỉ liên kết với đất sét. Trên thực tế, các polyme đường phức hợp giúp đất sét liên kết nước chặt chẽ hơn gấp 5 năm lần so với khi không có carbohydrate. Ngay cả trong điều kiện cực kỳ khô, nước liên kết với đất sét và carbohydrate cũng ít có khả năng bay hơi hơn.
Aristilde cho biết họ đã tăng nhiệt độ để đo lượng nước mất cả khi có và không có carbohydrate. So với chỉ có đất sét, khi kết hợp đất sét với carbohydrate thì cần nhiệt độ cao hơn mới khiến nước thoát ra khỏi cấu trúc. Điều này có nghĩa là sự hiện diện của carbohydrate giúp giữ nước chặt hơn.
Hơn nữa, carbohydrate dạng chuỗi nhánh và dài còn giúp ngăn các lỗ xốp của đất sét sụp đổ hoàn toàn khi khô, nhờ vậy độ ẩm vẫn được duy trì trong thời gian dài, kể cả giữa hạn hán.
Aristilde nói: “Dù mục tiêu của chúng tôi là tìm hiểu cách đất trên Trái Đất giữ ẩm, những cơ chế phát hiện được ở đây có thể liên quan đến việc giải thích các hiện tượng ngoài hành tinh. Hiện có nhiều sự quan tâm đến mối quan hệ giữa chất hữu cơ và nước có thể diễn ra như thế nào trên các hành tinh khác — đặc biệt là những hành tinh từng được cho là có sự sống.”
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí PNAS Nexus vào đầu tháng 8/2025.
Trang Linh dịch theo Đại học Northwestern
