De bodems en sedimenten onder onze voeten kunnen een verbazingwekkende hoeveelheid koolstof bevatten - meer dan in alle planten op de wereld en de atmosfeer samen - en vormen een belangrijke potentiële bron van het broeikasgas koolstofdioxide.

In een nieuwe studie, Wetenschappers van Stanford hebben een voorheen onbekend mechanisme ontdekt dat verklaart waarom microben er soms niet in slagen om al het plantaardig en dierlijk materiaal af te breken. koolstof achterlatend. Begrijpen waar, en hoe lang, deze begraven organische stof blijft hangen is cruciaal voor wetenschappers en beleidsmakers om klimaatverandering beter te voorspellen en erop te reageren.

"Ons beeld van hoe organische stof wordt afgebroken in bodems en sedimenten is onvolledig, " zei hoofdauteur Kristin Boye, een associate staff scientist bij de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource bij het SLAC National Accelerator Laboratory en voormalig postdoctoraal wetenschapper aan Stanford's School of Earth, Energie &Milieuwetenschappen. "Met dit onderzoek we krijgen nieuwe inzichten in de mechanismen van koolstofbehoud in onderaardse omgevingen met weinig of geen zuurstof."

In zuurstofarme plaatsen zoals moerassen en in uiterwaarden, micro-organismen breken niet alle beschikbare organische stof in gelijke mate af, blijkt uit de studie. In plaats daarvan, koolstofverbindingen die niet genoeg energie leveren om de moeite waard te zijn voor micro-organismen om af te breken, accumuleren uiteindelijk. Deze gepasseerde koolstof, echter, blijft niet per se op de lange termijn onder de grond opgesloten. In water oplosbaar zijn, de koolstof kan in nabijgelegen zuurstofrijke waterwegen sijpelen, waar microben het gemakkelijk consumeren.

Daten, modellen van lokale ecosystemen en bredere klimaatverandering hebben geen rekening gehouden met dit nieuwe mechanisme voor koolstofbehoud, voornamelijk gericht op microbiële enzymen en de beschikbaarheid van andere elementen voor de afbraak van organisch materiaal.

"Bodems en sedimenten zijn een enorm en dynamisch reservoir van koolstof, " zei senior auteur Scott Fendorf, een professor in bodembiogeochemie aan Stanford Earth. "Daarom maken we ons hier zorgen over de omzettijden met betrekking tot hoe snel organische koolstof wordt afgebroken en als koolstofdioxide in de atmosfeer vrijkomt."

Het lot van de koolstof volgen

Voor de nieuwe studie vandaag gepubliceerd in Natuur Geowetenschappen , het onderzoeksteam verzamelde kernmonsters van begraven sedimenten uit vier uiterwaarden in het bovenste stroomgebied van de Colorado in de staten Colorado en New Mexico.

De ongeveer 3 meter lange, kolomvormige monsters gingen diep genoeg om zuurstofarme lagen te bereiken waar microben moeten overschakelen van het microbiële equivalent van het inademen van zuurstof naar het inademen van zwavel. In elk geval, de microben combineren zuurstof of zwavel met voedsel op basis van koolstof om energie te produceren en koolstofdioxide of zwaveldioxide in de atmosfeer af te geven. (Dat zwaveldioxide is verantwoordelijk voor de kenmerkende geur van zuurstofarme wetlands.)

Om te identificeren waar in de sedimentmonsters microben de overstap hadden gemaakt, de onderzoekers wendden zich tot de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource-faciliteit. De synchrotronmachine genereert extreem helder röntgenlicht dat, wanneer scheen op de monsters, genereert een signaal dat de chemie van de zwavel onthult. De aanwezigheid van sulfidemineralen geeft aan waar de microben naast koolstof zwavel begonnen te gebruiken om hun biochemische machines van stroom te voorzien.

De vraag was of de omschakeling naar zwavel invloed had op de koolstofbronnen die de microben aten of achterlieten. Er achter komen, de onderzoekers vertrouwden op unieke instrumenten en samenwerkingen binnen het Environmental Molecular Sciences Laboratory van het Pacific Northwest National Laboratory in Richmond, Washington. Met behulp van een zeer sterke magneet, een instrument dat in het laboratorium een ​​massaspectrometer wordt genoemd, kenmerkte het in water oplosbare organische materiaal. Uit de tests bleek dat, in tegenstelling tot de lagen waar zuurstof beschikbaar was, overgebleven koolstofverbindingen in de sedimentmonsters waar zwavel was gebruikt voor ademhaling waren meestal van het soort dat meer energie nodig heeft om af te breken dan zou worden vrijgemaakt door de afbraak zelf. Onbruikbaar, dan, om microben te laten groeien, deze koolstofverbindingen waren in de diepere sedimentlagen gebleven.

Honingmodellen van de koolstofcyclus

uiterwaarden, zoals de monsters in de studie, behoren tot de meest voorkomende gebieden wereldwijd voor de internering van plantaardig en dierlijk materiaal door watergedragen sedimenten. Het is bekend dat de zuurstofarme omstandigheden die daar ondergronds worden gecreëerd, koolstof vasthouden, maar zoals de studie suggereert, deels om voorheen onbekende redenen en met onvoorziene gevolgen. Voor dergelijke overstromingsgevoelige, laaggelegen gebieden liggen per definitie in de buurt van waterlopen. Oplosbaar, ongebruikt organisch materiaal kan vrij gemakkelijk migreren naar een beluchte waterweg voor latere afbraak, het veroorzaken van algenbloei en andere problemen met de waterkwaliteit, terwijl het ook leidt tot de productie van kooldioxide.

Modellen van hoe levende organismen, de grond, waterlichamen en de atmosfeer recyclen van koolstof zal in toenemende mate belangrijke nuances moeten bevatten, zoals het conserveringsmechanisme beschreven in de nieuwe Stanford-studie, om het inzicht van wetenschappers en de beslissingen van beleidsmakers te informeren.

"Het is essentieel om de beperkingen van wat echt de processen van koolstofafbraak regelt, te krijgen, "zei Fendorf. "Dat is wat onze studie helpt verlichten."