Veel complexiteiten van het koolstofvastleggingsproces blijven slecht begrepen, ondanks jarenlang onderzoek en de aanzienlijke impact van dit proces op het mondiale klimaat.

Nutsvoorzieningen, drie wetenschappers hebben een nieuwe benadering voorgesteld om de rol van organische stof in de bodem bij de opslag van koolstof op de lange termijn en de reactie op veranderingen in het mondiale klimaat en de atmosferische chemie beter te begrijpen. het drietal, waaronder Julie Jastrow van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), publiceerden hun ideeën in het augustusnummer van Natuur Microbiologie .

Het artikel komt op een moment van toenemende bezorgdheid over het groeiende probleem van bodemdegradatie, en het opkomende concept van bodemzekerheid (de stabilisatie en verbetering van 's werelds bodemhulpbronnen).

"De bodem is belangrijk voor het leven op aarde zoals wij die kennen, " zei Jastrow, een senior terrestrische ecoloog en groepsleider in de Environmental Science Division van Argonne. "bodems, en met name organische stof in de bodem, zijn de sleutel tot veel van de essentiële diensten en functies die de bodem biedt."

"Specialisten in bodemorganische stof geloofden lang dat overblijfselen van verrot plantaardig materiaal de belangrijkste componenten waren van gestabiliseerde bodemkoolstof, " zei Chao Liang van het Instituut voor Toegepaste Ecologie van de Chinese Academie van Wetenschappen, hoofdauteur van het artikel Nature Microbiology en voormalig postdoctoraal wetenschapper bij Argonne. "Maar evoluerende analytische benaderingen hebben ertoe geleid dat onderzoekers zijn verschoven naar de opvatting dat dode microbiële biomassa en andere microbiële residuen nog significanter zouden kunnen bijdragen aan stabiele koolstofpools."

"Ik ben het met Chao eens dat we een paradigmaverschuiving zien. We hebben misschien nog niet de tools of gegevens om dit volledig te ondersteunen of te kwantificeren, maar ons denken evolueert, ' zei Jastrow.

De ideeën gepresenteerd in de Natuur Microbiologie artikel werden aangescherpt toen co-auteur, Joshua Schimel, een toonaangevende microbiële bodemecoloog van de Universiteit van Californië, Santa Barbara, bezocht in 2015 het laboratorium van Liang. Later nodigde Liang Jastrow uit om hen te helpen hun ideeën verder te verfijnen.

"Het conceptuele kader en de ideeën die in dit artikel worden beschreven, kunnen ons aanwijzingen geven over hoe we kwetsbare of aangetaste bodems beter kunnen stabiliseren en vernieuwen, " zei Liang. "Het geeft ook inzicht in de oorsprong van verschillende vormen van organische stof in de bodem."

"Dit nieuwe inzicht is essentieel voor onze nationale en wereldwijde discussies over bodemkwetsbaarheid en de duurzaamheid van bodems voor de productie van voedsel en biobrandstoffen, ecologische duurzaamheid, milieugezondheids- en klimaatbeleid, " hij zei.

In de koolstofcyclus, koolstofbewegingen tussen planten, dieren, bodems, de aardkorst, zoetwater, de oceanen en de atmosfeer. Sequestreerkool is koolstof die langdurig wordt opgeslagen. Bodem koolstof wassen en afnemen, afhankelijk van de balans tussen inputs van nieuwe organische materialen en outputs. Verliezen treden meestal op door ontbinding, maar ook door uitspoeling naar grondwater of oppervlakte-erosie.

Studies hebben zich lang gericht op hoe plantenafval - meestal dode bladeren, stengels en wortels - ontleedt en verandert in organisch bodemmateriaal. De bijdrage van de levende biomassa van microben aan koolstof in de bodem, die slechts 1 tot 5 procent van de totale koolstof in de bodem uitmaakt, heeft veel minder aandacht gekregen, echter.

"Toen onderzoekers de hoeveelheid levende microbiële biomassa vergeleken met de jaarlijkse input van planten, het leek gewoon natuurlijk om te denken dat het grootste deel van de organische stof in de bodem moest komen van plantenstrooisel, ’ merkte Jastrow op.

Ook al is de levende biomassa van microben klein, deze organismen groeien, leven en sterven in een snel tempo. Dit betekent dat microbiële inputs voor organische stof in de bodem veel groter kunnen zijn dan eerder werd gedacht, vooral wanneer een aanzienlijk deel van die inputs wordt gestabiliseerd in plaats van afgebroken. Maar zelfs met nieuwe inzichten en verbeteringen in de instrumenten die worden gebruikt om bodemorganische stof te bestuderen, veel vragen en onbekenden blijven bestaan.

"Onderzoekers weten al tientallen jaren dat organische stof in de bodem microbiële residuen bevat, maar ze realiseerden zich recentelijk de potentiële omvang van die bijdragen, " Zei Jastrow. Zij en haar collega's suggereren dat twee soorten microbiële metabolische activiteit grotendeels de omvang van de microbiële bijdragen aan de vorming van organische stof in de bodem bepalen.

Door katabole activiteit, microben breken complexe moleculen af ​​om eenvoudigere te vormen, waarbij koolstof vrijkomt als koolstofdioxide. Door anabole activiteit, microben synthetiseren complexe moleculen van eenvoudigere, wat bijdraagt ​​aan koolstofopslag.

De wetenschappers stellen voor om een ​​benadering te volgen die gebaseerd is op een concept dat de bodemmicrobiële koolstofpomp wordt genoemd om vruchtbaar nieuw onderzoek op dit gebied te stimuleren. Mariene onderzoekers brachten eerst het concept van de microbiële koolstofpomp naar voren. De mariene microbiële koolstofpomp houdt koolstof vast door het diep in de oceanen over te brengen. Door dit proces, bacteriën dragen aanzienlijk bij aan de opslag van koolstof op de lange termijn en de regulering van koolstofdioxide in de lucht.

"Door gebruik te maken van het microbiële koolstofpompconcept dat zijn oorsprong vindt in de mariene literatuur, wordt eenvoudigweg een manier geboden om alle verschillende complexiteiten te organiseren en na te denken die verband houden met de rol van microbieel anabolisme bij de vorming van organisch bodemmateriaal, ' zei Jastrow.

In hun krant Jastrow en haar collega's koppelen de microbiële koolstofpomp aan het vermogen van microbieel gesynthetiseerde verbindingen om gestabiliseerd te worden door intieme fysische en chemische associaties met bodemmineralen. Ze noemen dit laatste fenomeen het 'begrafeniseffect'. De bodemmicrobiële koolstofpomp versterkt dit effect, vooral via het in vivo omzetproces, houden de wetenschappers vol. Met in vivo omzet, micro-organismen verwerken metabolisch plantaardig materiaal om biomassa te genereren. Als die microben sterven, hun residuen zullen eerder "begraven" worden dan plantenresiduen, het vergroten van de pool van persistente koolstof in de bodem.

Het samenspel tussen de katabole en anabole processen speelt een sleutelfactor bij het kantelen van de balans tussen het grafeffect en de keerzijde ervan, het priming-effect, die helpt bij het vrijmaken van koolstof uit stabiel organisch materiaal. wanneer vers, gemakkelijk afbreekbare resten komen in de bodem terecht, deze gemakkelijk beschikbare energiebron kan de katabole activiteiten van microben "aanjagen" en de afbraak van complexere en stabielere organische stofplassen in de bodem stimuleren.

Dus, toevoeging van nieuwe, extern geproduceerde koolstof kan de productie van koolstofdioxide verhogen door microbiële afbraak van bestaand organisch bodemmateriaal te stimuleren, en tegelijkertijd kan het leiden tot een grotere begraving van microbiële residuen.

"Maar, onderzoekers zullen betere analytische instrumenten nodig hebben om de massa dood microbieel materiaal en residuen in de bodem nauwkeuriger te kwantificeren, en om de factoren te begrijpen die het evenwicht tussen de entombe- en priming-effecten bepalen, ’ merkte Liang op.

"Er zijn momenteel maar weinig gegevens die onze kwantificering en ons begrip van de mechanismen achter het microbiële koolstofpompconcept in de bodem rechtstreeks informeren, " hij zei.

Zelfs nu, veel van de analytische methoden en instrumenten die nieuwe inzichten verschaffen in de organische stof in de bodem zijn nog onvoldoende.

"Hoe dan ook, de nieuwe inzichten beginnen te veranderen hoe we denken over organische stof in de bodem en de vorming ervan, degradatie en dynamiek, ' zei Jastrow.

"Door deze inzichten te organiseren rond het concept van een bodemmicrobiële koolstofpomp, " voegde Liang toe, "We hopen nieuw onderzoek te inspireren dat gericht is op de rol van micro-organismen bij het creëren van organische stof in de bodem en de veerkracht ervan tegen verstoring of veranderende omgevingsomstandigheden."