Veel van de koolstof op aarde zit vast in de bodem, en wetenschappers zijn ervan uitgegaan dat potentiële klimaatverwarmende verbindingen daar eeuwenlang veilig zouden blijven. Maar nieuw onderzoek van Princeton University toont aan dat koolstofmoleculen mogelijk veel sneller uit de bodem kunnen ontsnappen dan eerder werd gedacht. De bevindingen suggereren een sleutelrol voor sommige soorten bodembacteriën, die enzymen kunnen produceren die grote op koolstof gebaseerde moleculen afbreken en koolstofdioxide in de lucht laten ontsnappen.

Er wordt meer koolstof in de bodem opgeslagen dan in alle planten en atmosfeer van de planeet samen, en de bodem absorbeert ongeveer 20% van de door de mens gegenereerde koolstofemissies. Nog, factoren die van invloed zijn op koolstofopslag en het vrijkomen uit de bodem waren moeilijk te bestuderen, grenzen stellen aan de relevantie van koolstofmodellen in de bodem voor het voorspellen van klimaatverandering. De nieuwe resultaten helpen bij het verklaren van groeiend bewijs dat grote koolstofmoleculen sneller uit de bodem kunnen worden vrijgemaakt dan in gangbare modellen wordt aangenomen.

"We hebben een nieuw inzicht gegeven, wat de verrassende rol is van de biologie en haar verband met de vraag of koolstof in de bodem blijft opgeslagen, zei co-auteur Howard Stone, de Donald R. Dixon '69 en Elizabeth W. Dixon hoogleraar Mechanische en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek.

In een paper gepubliceerd op 27 januari in Natuurcommunicatie , de onderzoekers, onder leiding van voormalig postdoctoraal fellow Judy Q. Yang, ontwikkelde 'bodem op een chip'-experimenten om de interacties tussen bodems na te bootsen, koolstofverbindingen en bodembacteriën. Ze gebruikten een synthetische, transparante klei als vervanger voor kleibestanddelen van grond, die de grootste rol spelen bij het absorberen van koolstofhoudende moleculen.

De "chip" was een gemodificeerd microscoopglaasje, of een microfluïdisch apparaat, met siliconenomhulde kanalen van een halve centimeter lang en meerdere keren de breedte van een mensenhaar (ongeveer 400 micrometer). Inlaat- en uitlaatbuizen aan elk uiteinde van de kanalen stelden de onderzoekers in staat de synthetische klei-oplossing te injecteren, gevolgd door suspensies die koolstofmoleculen bevatten, bacteriën of enzymen.

Na het coaten van de kanalen met de doorzichtige klei, de onderzoekers voegden fluorescerend gelabelde suikermoleculen toe om koolstofbevattende voedingsstoffen te simuleren die uit de wortels van planten lekken, vooral tijdens regen. De experimenten stelden de onderzoekers in staat om de locaties van koolstofverbindingen in de klei en hun bewegingen in reactie op vloeistofstroom in realtime direct te observeren.

Zowel kleine als grote moleculen op suikerbasis plakten aan de synthetische klei terwijl ze door het apparaat stroomden. In overeenstemming met de huidige modellen, kleine moleculen werden gemakkelijk losgemaakt, terwijl grotere gevangen in de klei bleven.

Toen de onderzoekers Pseudomonas aeruginosa toevoegden, een veel voorkomende bodembacterie, naar het grond-op-een-chip apparaat, de bacteriën konden de voedingsstoffen in de kleine poriën van de klei niet bereiken. Echter, het enzym dextranase, wat staat voor enzymen die vrijkomen door bepaalde bodembacteriën, kan de voedingsstoffen in de synthetische klei afbreken en kleinere suikermoleculen beschikbaar maken om het bacteriële metabolisme te voeden. In het milieu, dit kan leiden tot grote hoeveelheden CO ₂ uit de bodem vrijkomen in de atmosfeer.

Onderzoekers hebben vaak aangenomen dat grotere koolstofverbindingen worden beschermd tegen afgifte zodra ze aan kleioppervlakken kleven, wat resulteert in langdurige koolstofopslag. Enkele recente veldstudies hebben aangetoond dat deze verbindingen kunnen loskomen van klei, maar de reden hiervoor is mysterieus, zei hoofdauteur Yang, die het onderzoek uitvoerde als postdoctoraal onderzoeker aan Princeton en nu assistent-professor is aan de Universiteit van Minnesota.

"Dit is een heel belangrijk fenomeen, omdat het suggereert dat de koolstof die in de bodem is vastgelegd, kan worden vrijgegeven [en een rol kan spelen in] toekomstige klimaatverandering, " zei Yang. "We leveren direct bewijs van hoe deze koolstof kan worden vrijgegeven - we ontdekten dat de enzymen die door bacteriën worden geproduceerd een belangrijke rol spelen, maar dit is vaak genegeerd door klimaatmodelstudies" die aannemen dat klei de koolstof in de bodem duizenden jaren beschermt.

Het onderzoek kwam voort uit gesprekken tussen Stone en coauteur Ian Bourg, een assistent-professor civiele en milieutechniek en het High Meadows Environmental Institute. Stone's lab heeft microfluïdische apparaten gebruikt om de eigenschappen van synthetische vezels en bacteriële biofilms te bestuderen. terwijl Bourg expertise heeft in de oppervlakte-geochemie van kleimineralen - waarvan wordt gedacht dat ze het meest bijdragen aan de opslag van koolstof in de bodem vanwege hun fijne structuur en oppervlakteladingen.

Steen, Bourg en hun collega's realiseerden zich dat het nodig was om enkele van de aannames experimenteel te testen in veelgebruikte modellen van koolstofopslag. Yang sloot zich aan bij Stone's groep om het onderzoek te leiden, en werkte ook samen met Xinning Zhang, een assistent-professor geowetenschappen en het High Meadows Environmental Institute die de stofwisseling van bacteriën en hun interacties met het bodemmilieu onderzoekt.

Jinyun Tang, een onderzoekswetenschapper in de afdeling klimaatwetenschappen van het Lawrence Berkeley National Laboratory, merkte op dat hij en anderen de afgelopen jaren de afbraak van grote koolstofmoleculen in de bodem hebben waargenomen en veronderstelden dat dit werd gemedieerd door biologisch geproduceerde enzymen.

De observaties van het Princeton-team "bieden een zeer sterke ondersteuning voor onze hypothese, " zei Tang, die niet bij het onderzoek betrokken was. Hij voegde eraan toe dat de techniek van het onderzoek ook kan worden gebruikt om vragen te onderzoeken als "Zal de omkeerbare interactie tussen kleine koolstofmoleculen en kleideeltjes koolstofgebrek veroorzaken bij de microben en bijdragen aan koolstofstabilisatie? En hoe helpen dergelijke interacties de microbiële diversiteit te behouden?" in aarde? Het is een heel spannend begin."

Toekomstige studies zullen testen of bacteriën in het modelsysteem hun eigen enzymen kunnen afgeven om grote koolstofmoleculen af ​​te breken en ze te gebruiken voor energie, CO . vrijgeven ₂ in het proces.

Hoewel de door Tang beschreven koolstofstabilisatie mogelijk is, het nieuw ontdekte fenomeen zou ook het tegenovergestelde effect kunnen hebben, bijdragen aan een positieve terugkoppeling met het potentieel om het tempo van de klimaatverandering te versnellen, aldus de auteurs van de studie. Andere experimenten hebben een "priming" effect laten zien, waarbij verhogingen van kleine suikermoleculen in de bodem leiden tot het vrijkomen van bodemkoolstof, wat er op zijn beurt voor kan zorgen dat bacteriën sneller groeien en meer enzymen afgeven om grotere koolstofmoleculen verder af te breken, wat leidt tot een nog verdere toename van de bacteriële activiteit.