Bijna een derde van de koolstofdioxide die jaarlijks in de atmosfeer vrijkomt, is terug te voeren op bacteriën die in de bodem leven. waar ze plantaardig en dierlijk materiaal afbreken voor energie.

Voor de meeste bodemmicroben deze transformatie vereist zuurstof. Maar een nieuwe studie vindt dat kleine, verspreide populaties van bacteriën die in de bodem leven, hebben zuurstofgebrek en hebben een ondergewaardeerd effect op de hoeveelheid van dit krachtige broeikasgas dat in de lucht vrijkomt.

Het onderzoek, gepubliceerd vrijdag, 24 november in het tijdschrift Natuurcommunicatie en geleid door Scott Fendorf van Stanford en voormalig postdoc Marco Keiluweit, constateert dat deze zuurstofvrije bodems kwetsbaar zijn voor verstoring door klimaatverandering en sommige landbouwpraktijken. De wetenschappers zeiden dat dit werk zou kunnen helpen bij het modelleren van toekomstige koolstofemissies door betere voorspellingen te geven van hoeveel CO2 er uit de bodem zou kunnen vrijkomen.

"Gelukkig, de klimaatmodelleurs lopen parallel met ons, " zei Fendorf, wie is de Huffington Family Professor in Earth Sciences aan Stanford's School of Earth, Energie &Milieuwetenschappen. "Ze moeten dit waarderen en dat zijn ze ook."

Koolstofbescherming

De bodem bevat drie keer meer koolstof dan de atmosfeer. Een deel van die koolstof blijft ondergronds gevangen door chemische reacties met mineralen. Echter, het meeste is in de vorm van ontbindend plantaardig en dierlijk materiaal, welke micro-organismen afbreken om energie en CO2 te creëren – het equivalent van ons eten en ademen.

Dit afbraakproces vereist normaal gesproken zuurstof, maar in de kleine zakjes grond die geen zuurstof hebben, anaërobe microsites genoemd, bacteriën zijn geëvolueerd om energie uit organisch materiaal te halen zonder zuurstof, zij het minder efficiënt. Deze zuurstofarme microben produceren beduidend minder CO2 en zijn ook niet in staat bepaalde koolstofrijke biomoleculen zoals wassen en lipiden af ​​te breken.

"Anaërobe microsites spelen een beschermende rol doordat ze bepaalde organische verbindingen behouden die wereldwijd in de bodem overvloedig aanwezig zijn, het vergroten van de koolstofopslag en het verminderen van de CO2-uitstoot van de bodem, " zei Keiluweit, die nu assistent-professor is aan de Universiteit van Massachusetts in Amherst.

Maar hoewel wetenschappers al lang op de hoogte zijn van het bestaan ​​van anaërobe microsites, hun prevalentie en hun algehele bijdrage aan de wereldwijde koolstofcyclus - de uitwisseling van koolstof tussen de atmosfeer van de aarde, oceanen en landsystemen - werd niet goed begrepen en er werd geen rekening mee gehouden in ecosysteemmodellen die worden gebruikt in toekomstige klimaatprojecties.

"De algemene perceptie is dat habitats die volledig onder water zijn, zoals wetlands en moerassen, anaëroob zijn, en dat onoverstroomd, of hoogland, bodems zijn meestal aëroob, " Zei Fendorf. "Wat we in deze studie laten zien, is dat er in feite een zeer aanzienlijk volume hooggelegen grond in anaërobe omgevingen zit."

Microsites in het lab

In de nieuwe studie Keiluweit en zijn collega's creëerden anaërobe microsites in het laboratorium door nauwgezet de zuurstofstroom naar bodemmonsters te manipuleren en vervolgens hun CO2-uitstoot en hun lipide- en wasconcentraties te meten.

Wat ze ontdekten was dat naarmate zuurstof schaarser werd, de bodemmicroben verschoven van aërobe naar steeds minder efficiënte anaërobe ademhaling. Als resultaat, er werden minder koolstofrijke lipiden- en wasmoleculen afgebroken en de CO2-productie daalde met een factor 10.

Als een real-world controle van hun resultaten, de onderzoekers onderzochten ook grond van landbouwgronden in Oregon. Zowel de laboratorium- als de veldresultaten lieten opmerkelijk consistente trends zien, aangeeft dat, in tegenstelling tot de conventionele wijsheid, hooggelegen bodems bevatten in feite grote hoeveelheden anaërobe microsites die specifieke soorten koolstofmoleculen beschermen.

"Op basis van onze laboratoriumresultaten, we zouden verwachten dat bodems die rijk zijn aan anaërobe microsites veel lipiden en wassen zouden hebben, en dat vonden we in de velden, ' zei Keiluweit.

Gevoelig voor verstoring

De nieuwe bevindingen benadrukken de vele manieren waarop klimaatverandering en bepaalde landbouwpraktijken deze microsites kunnen veranderen en de hoeveelheid CO2 die vrijkomt uit de bodem kunnen verschuiven.

Verwarmende grond, bijvoorbeeld, zal waarschijnlijk de hoeveelheid CO2 die in de atmosfeer vrijkomt verhogen. “Net als bij ons, als je microben verwarmt, je verhoogt hun metabolische activiteit, " zei Fendorf. In bodemgebieden met zuurstof, de aanwezige bacteriën zullen meer van die overvloedige zuurstof verbruiken en sneller en efficiënter CO2 produceren.

Verwacht wordt dat klimaatverandering sommige regio's natter en andere droger zal maken naarmate de weerspatronen veranderen. Die twee trends hebben verschillende effecten op bodemmicroben. Gebieden die meer regen krijgen - of meer irrigatie door landbouw - zullen minder zuurstof bevatten en daarom waarschijnlijk minder CO2 produceren.

Drogere grond heeft over het algemeen meer zuurstof en de microben die erin zitten zullen meer CO2 produceren. Echter, onder zeer droge omstandigheden daalt de productiviteit voor zowel aerobe als anaerobe microben omdat water essentieel is voor het leven.

"Veranderingen in bodemvocht als gevolg van irrigatie of klimaatpatronen zullen daarom de verdeling van microbiële metabolismes en de snelheid van CO2-productie veranderen, ' zei Fendorf.

In aanvulling, veelvuldig losraken, of bewerken, van bodems belucht de bodem, anaërobe microsites aëroob maken en de afgifte van CO2 verhogen. "Onze bevindingen benadrukken een voordeel van praktijken met weinig grondbewerking en andere landgebruikspraktijken die verhoogde bodembeluchting beperken, ' zei Fendorf.