Kate Schoot, een professor in bodemkunde en bodemmicrobiële ecologie aan UC Davis, houdt plastic zakken gevuld met aarde op haar bureau.

We ontmoeten elkaar in haar kantoor in Plant and the Environmental Sciences Building op de campus, niet op Russell Ranch, waar ze de directeur is van de unieke 300 hectare grote onderzoeksfaciliteit van de universiteit die de langetermijneffecten van managementpraktijken en klimaat op de duurzaamheid van de landbouw bestudeert. Californië is eindelijk weer regenachtig. "Onze bodems zijn kletsnat en het is nogal moeilijk om je daar nu te verplaatsen, "zegt Schoot.

Een van de zakjes is gevuld met kruimelige lichtbruine aarde die in kleine klontjes bij elkaar blijft. Het komt van een biologisch beheerd tomatenveld. Een andere tas bevat een bijna solide, grijs blok vuil, als een baksteen van cement.

"Het is omdat het werd bewerkt toen het nat was. De structuur is volledig afgebroken." Ze pakt de tas en houdt hem omhoog. "Maar het zal je misschien verbazen dat zelfs deze rots een aantal micro-organismen bevat. Ze zijn overal."

Microbiële ecologie is een van de belangrijkste onderzoeksgebieden van Scow. Wat ze probeert te begrijpen, is hoe we landbouwpraktijken "onder de grond" kunnen heroriënteren en de activiteit van nuttige micro-organismen kunnen verbeteren. Slechts een paar van haar recente onderzoeksprojecten omvatten de gevoeligheid van bacteriën en schimmels voor grondbewerking en bodembedekking, en de effecten van minerale mest op beheerde en niet-beheerde landbouwsystemen.

Hoewel microben in de bodem essentieel zijn voor het leven op aarde, wetenschappers geven grif toe dat ze er nog relatief weinig van weten. Wat ze wel weten is dat ze erg, zeer overvloedig en zeer, zeer divers.

"Een gram aarde - ongeveer een kwart theelepel - kan gemakkelijk een miljard bacteriecellen en enkele kilometers schimmelfilamenten bevatten, "zegt Schoot.

En hoeveel verschillende soorten organismen kunnen er in de bodem zitten? "De bodem is overweldigend divers, met een geschatte 10, 000 tot 50, 000 verschillende taxa in een theelepel aarde. Deze cijfers zijn moeilijk te raden en worden steeds aangepast naarmate we meer leren over het bodemmicrobioom door middel van sequencing-inspanningen, " zegt Schoot, verwijzen naar genomische sequencing, die organismen identificeert door hun unieke genetische eigenschappen.

Een levend ecosysteem

In tegenstelling tot Scoo, als de meesten van ons langs een pas geploegd landbouwveld rijden, we zien vuil. We kunnen ons de aanwezigheid van een paar bugs voorstellen, misschien wormen, maar in wezen, de meesten van ons zien de grond als een levenloos substraat waarin planten groeien.

Maar de bodem is eigenlijk een levend wezen, een divers ecosysteem dat een van de meest complexe ter wereld is. En het is er een die essentieel is voor het menselijk leven door alle functies die het biedt:voedselproductie, water Zuivering, vermindering van broeikasgassen, en vervuiling opruimen, om er een paar te noemen.

"Veel processen die echt belangrijk zijn in de bodem, zoals de afbraak van organisch materiaal, gaat in op het opbouwen van de bodemstructuur - de aggregaten - die de structurele eenheden van de bodem zijn, " zegt Scow. "Deze aggregaten bepalen hoe goed het water wegloopt als het regent, hoe goed het wordt vastgehouden als het droog wordt. En de uitwisseling van gassen - zoals het vermogen om zuurstof naar plantenwortels te krijgen - wordt bepaald door de structuur van de bodem."

Wat je ziet als je een schep gezonde grond omdraait, is niet zomaar een toeval. "Microben zijn de architecten die die structuur bouwen, ", zegt Scow. En ze wijst erop dat hoe we onze landbouwgronden beheren, kan bepalen of we deze microscopisch kleine structurele ingenieurs helpen of hinderen.

Gezonde bodems kunnen de klimaatverandering helpen verminderen

Darmbacteriën hebben de afgelopen jaren veel aandacht gekregen omdat onderzoekers de complexe relatie tussen de menselijke gezondheid en wat er in onze darmen leeft blijven ontsluiten.

Voor mensen zijn er nuttige prebiotica en probiotica. Het blijkt dat de bacteriën Lactobacillus bulgaricus en Streptococcus thermophiles in yoghurt goed voor ons zijn. Maar zijn er vergelijkbare "goede bacteriën" voor planten en bodems?

Ik vraag Radomir Schmidt, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Kate Scow, die vraag. Hij lacht. "Dat is de vraag van een miljoen dollar. We weten dat er veel bodemmicroben zijn, maar we weten niet wat veel van hen doen. Nog niet, hoe dan ook."

Hij legt uit dat er nuttige microben in de bodem zitten, maar dat onderzoekers nog niet weten hoe interacties tussen bodemmicroben leiden tot verschillende praktische resultaten.

Microben hebben ongelooflijk uiteenlopende functies in de bodem. Er zijn nitrificerende microben die ammonium omzetten in nitriet, en dan nitraat. Er zijn microben die meststoffen en pesticiden en zelfs verontreinigende stoffen kunnen metaboliseren. Maar hoewel de eigenschappen van sommige bodemmicroben bekend zijn, er valt nog veel te leren, zoals hoe belangrijk teamwerk tussen verschillende organismen is bij het leveren van deze diensten.

Koolstofvastlegging in de bodem

Ik had Schmidt ontmoet toen hij een microbioomworkshop bijwoonde op de campus, gesponsord door het Office of Research om UC Davis-onderzoekers te helpen netwerken over mogelijke interdisciplinaire microbioomprojecten. Hij was daar om te brainstormen over projecten zoals koolstofvastlegging.

De bodem is een focus geworden voor het zoeken naar manieren om klimaatverandering te verminderen. Een gezonde bodem is veerkrachtiger in een veranderende omgeving. Het voedt ook planten, waardoor de planten koolstofdioxide - een broeikasgas - uit de atmosfeer kunnen verwijderen.

En de bodem zelf is ook een enorme opslagplaats voor koolstof:het herbergt de koolstofverbindingen van rottende planten en dieren, evenals alles wat in de bodem leeft - van microben tot wormen tot boomwortels. En koolstof is essentieel om bodemmicroben te laten gedijen.

Onderzoek heeft aangetoond dat veranderingen in landbouwpraktijken de opgeslagen koolstof in de bodem kunnen vergroten. Een 20-jarige studie bij Russell Ranch wees uit dat het toevoegen van compost en bodembedekkers aan velden die tomaten in rotatie met maïs verbouwden, de hoeveelheid koolstof in de bodem met 37 procent verhoogde.

Kate Scow nam ook deel aan een langlopend project onder leiding van Jeff Mitchell, een University of California Agriculture and Natural Resources Cooperative Extension specialist, dat keek naar de impact van conserverende landbouw op de hoeveelheid koolstof in de bodem. Uit de acht jaar durende studie in de San Joaquin Valley bleek dat landbouwpraktijken voor conservering de hoeveelheid koolstof die in de bodem wordt vastgelegd met ongeveer 45 procent kunnen verhogen.

De staat Californië is zo geïnteresseerd in het potentieel van de bodem om de klimaatverandering tegen te gaan, dat het California Department of Food and Agriculture 7,5 miljoen dollar heeft uitgetrokken voor het Healthy Soils Initiative, die tot doel heeft koolstof in de bodem op te bouwen en broeikasgassen in de landbouw te verminderen.

Studies onderzoeken de impact van landbouwtechnieken op microben

Schmidts Ph.D. zit in de bacteriële genetica. Hij begon in Scow's lab met genetische sequencing en stapte geleidelijk over naar meer direct werken met de landbouw. Hij komt graag uit het lab. "Het belangrijkste project waar ik op dit moment aan werk, zijn de effecten van landbouw zonder grondbewerking en bodembedekkers op het microbioom. We kennen vrij goed de algemene effecten van het niet bewerken van de grond en het telen van bodembedekkers, maar we weten veel minder over effecten op specifieke leden van de microbiële gemeenschap, ’ zegt Schmidt.

Bijvoorbeeld, hij wijst erop dat schimmels bijzonder gevoelig zijn voor de fysieke verstoring veroorzaakt door grondbewerking, terwijl veel bacteriën niet zo worden aangetast. Voor de bacteriën wat belangrijker was, was voedsel - of het dekgewas was, is er niet. Er kunnen compromissen zijn met de verschillende praktijken, dat is een van de vele redenen waarom het onderzoek zo belangrijk is.

En soms zijn de onderzoeksresultaten onverwacht. Toen Kelly Gravuer, dan een Ph.D. student in Scow's lab, deed een onderzoek waarbij pluimveecompost werd toegevoegd aan drie verschillende grondsoorten, ze was er vrij zeker van dat de microbiële diversiteit in de voedselarme grond zou toenemen. Het deed het niet. Het ging naar beneden

"Duidelijk, we hebben nog veel te leren over hoe we kennis die is opgedaan met planten- en dierproeven kunnen vertalen naar de enorm verschillende wereld van microben, ' zegt Gravuer.

Lessen uit ontbossing en regeneratie in de Amazone

Jorge L. Mazza Rodrigues, een professor in het UC Davis Department of Land, Lucht- en watervoorraden, bestudeert sinds 2008 de impact van ontbossing in het Amazoneregenwoud.

Zijn eerste project was in Rondônia, een staat dicht bij de Boliviaanse grens en met de hoogste ontbossing in de Amazone. Later, Rodrigues voegde een tweede onderzoeksproject toe, in de staat Pará, aan de noordkant van de Amazone. "Ze hebben grote verschillen in hoeveel regen ze krijgen, ' zegt Rodrígues.

Hij is het grootste deel van het jaar op het noordelijk halfrond, en dit kwartaal geeft hij een seminar over methoden in microbioomonderzoek. We ontmoeten elkaar in zijn kantoor in het Plant and Environmental Sciences Building. Aan zijn kapstok onder zijn fietshelm bungelen tientallen lanyards met naambadges van de verschillende conferenties die hij heeft bijgewoond.

Rodrigues bestudeert de veranderingen in het bodemmicrobioom wanneer oerbossen worden omgezet in grasland. "Er zijn heel weinig oerbossen in de Verenigde Staten. Dus, we werken tegenwoordig met tropische systemen, want dat is de volgende grens in landbouwsystemen."

Ongeveer 20 procent van het Amazone-regenwoud is verwijderd - omgezet in weiden om vee te houden. Brazilië behoort tot de vier grootste exporteurs van rundvlees ter wereld. Het feit dat de Verenigde Staten zo weinig oerbossen hebben, is een van de redenen waarom Rodrigues een oordeel over de ontbossing in de Amazone probeert te vermijden, ondanks de impact ervan op het milieu.

"Vanuit mijn bevoorrechte positie ga ik niemand vertellen om niet te doen wat de VS hebben gedaan." Hij ziet zijn rol als het helpen bij hun beslissingen. "We kunnen mensen misschien helpen als we zeggen 'laten we je helpen om te bereiken wat je wilt bereiken'."

Om ongerept regenwoud om te zetten in weiland, de oude bomen worden verwijderd en verkocht, en dan wordt alles wat overblijft verbrand. Hij zegt dat het branden weken kan duren.

De veranderingen in de diversiteit van ecosystemen zijn duidelijk en dramatisch na de conversie. "Je hebt alle planten en bomen verwijderd en dan heb je misschien één gras. Je gaat van een groot aantal diersoorten naar misschien een of twee soorten - koeien en heel weinig vogels, ' zegt Rodrígues.

Veranderingen onder de oppervlakte

Maar wat hij daar moet bestuderen, is wat niet zo zichtbaar is:hij wil weten dat er met de micro-organismen in de bodem is gebeurd.

Hij geeft, als voorbeeld, Acidobacteriën. Acidobacteriën is een grote, diverse stam van bacteriën. "Zoals de naam al doet vermoeden, ze houden meer van een zure omgeving, bodems met een lagere pH zoals die we in het Amazonewoud vinden, ' zegt Rodrígues.

Maar nadat het bos is verbrand, alle as bemest de grond en verhoogt de pH, waardoor het meer alkalisch wordt. "Die jongens houden daar niet van, "zegt hij. De Acidobacteriën die in het bos waren, zijn niet gevonden in de wei. "Ze zijn verdwenen omdat de omgeving is veranderd."

Rodrigues heeft talrijke studies over het microbioom gepubliceerd. Men keek naar het verlies aan schimmeldiversiteit in de Amazone. Een ander recent artikel keek naar de stikstof-methaancyclus in de Amazone op basis van de microbiële gemeenschappen die ermee verbonden zijn. In een andere, werkte hij met microbioomonderzoekers uit China, die hetzelfde type ontbossing doormaakt in de Amazone.

En hij is ook betrokken bij projecten dichter bij huis, waaronder een project in Californië met Kate Scow die de microbiële uitstoot van methaan meet dat vrijkomt op boerderijen die melkmest gebruiken voor compost. "Wat we in de Amazone hebben geleerd, passen we toe op melkveebedrijven in Californië, ' zegt Rodrígues.

Omdat de omgebouwde weilanden in de Amazone niet worden bemest, ze eindigen met bodem van slechte kwaliteit en worden meestal na zeven tot tien jaar verlaten. Een hoopvol teken dat hij ziet voor herstel van het milieu in de Amazone is wat er daarna gebeurt.

"Als je nog bos hebt rondom deze weide, het bos begint weer te koloniseren. Het begint als een vuile weide - een paar struiken, bomen hier en daar - dan neemt het het weer over. Het is niet zo mooi en groot als de primaire vanwege de grootte van de bomen - het duurt 350 jaar voordat een grote boom groeit - maar hij keert terug naar dat systeem. En we hebben gezien dat ook de microbiële functies terugkeren, ' zegt Rodrígues.

Hij wijst erop dat er een secundair bos groeit en meer koolstof kan vastleggen dan het primaire bos dat op zijn hoogtepunt was, kon vastleggen.

"Zolang we corridors in stand houden en de gebieden met primair bos in stand houden, het kan dat gebied opnieuw inzaaien. Dieren kunnen in- en uitlopen. We kunnen de biodiversiteit behouden, en de structuur van de omgeving."

De vasthoudendheid van microben

Als we het hebben over het vermogen van microben om te overleven in zulke verschillende omgevingen, hij beschrijft hoe hij een collega had geholpen bij het isoleren van microben die diep onder de grond leefden in de bevroren permafrost in Siberië. Leven in ijs.

"Ze leefden, maar ze wachtten gewoon op een bepaalde hoeveelheid voedingsstoffen.' Hij beschrijft hoe een andere collega levensvatbare microben isoleerde uit de bevroren overblijfselen van een mammoet uit de laatste ijstijd. 'Ze kwamen weer tot leven. Ze waren nog levensvatbaar, ' zegt Rodrígues.

"Er zijn schattingen dat microben hier al 3,8 miljard jaar op de planeet zijn. De planeet ongeveer 4,8 miljard jaar en de eerste aanwijzingen van microbieel leven ongeveer 3,8 miljard jaar, ' zegt Rodrígues.

Rodrigues' werk met microben heeft hem enorm veel respect voor de organismen opgeleverd. "Ik bewonder ze." Hij lacht. "Die jongens kunnen overleven."