В почве хранится больше углерода, чем во всех растениях и атмосфере планеты вместе взятых, а почва поглощает около 20% выбросов углерода, произведенных человеком. Тем не менее, факторы, влияющие на накопление и выброс углерода из почвы, сложно изучать, что ограничивает актуальность моделей углерода в почве для прогнозирования изменения климата. Новые результаты помогают объяснить растущее количество свидетельств того, что большие молекулы углерода могут высвобождаться из почвы быстрее, чем это предполагается в обычных моделях.
«Мы предоставили новое понимание, которое заключается в удивительной роли биологии и ее связи с сохранением углерода» в почве, – сказал соавтор Ховард Стоун, Дональд Р. Диксон ’69 и Элизабет В. Диксон, профессор машиностроения и аэрокосмической техники.
В статье, опубликованной янв.
27 в Nature Communications, исследователи во главе с бывшим научным сотрудником Джуди Кью. Ян разработал эксперименты «почва на чипе», чтобы имитировать взаимодействие между почвой, углеродными соединениями и почвенными бактериями. Они использовали синтетическую прозрачную глину вместо глинистых компонентов почвы, которые играют самую большую роль в поглощении углеродсодержащих молекул.
«Чип» представлял собой модифицированное предметное стекло микроскопа или микрофлюидное устройство, содержащее каналы с силиконовыми стенками длиной полсантиметра и в несколько раз больше ширины человеческого волоса (около 400 микрометров). Впускные и выпускные трубки на каждом конце каналов позволяли исследователям вводить раствор синтетической глины, а затем суспензии, содержащие молекулы углерода, бактерии или ферменты.
Покрыв каналы прозрачной глиной, исследователи добавили флуоресцентно меченые молекулы сахара, чтобы имитировать углеродсодержащие питательные вещества, которые просачиваются из корней растений, особенно во время дождя.
Эксперименты позволили исследователям непосредственно наблюдать расположение углеродных соединений в глине и их движения в ответ на поток жидкости в режиме реального времени.
И маленькие, и большие молекулы на основе сахара прилипали к синтетической глине, когда они протекали через устройство. В соответствии с существующими моделями, небольшие молекулы легко вытеснялись, в то время как более крупные оставались застрявшими в глине.
Когда исследователи добавили Pseudomonas aeruginosa, обычную почвенную бактерию, в устройство «почва на чипе», бактерии не смогли добраться до питательных веществ, находящихся в небольших порах глины. Однако фермент декстраназа, который представляет собой ферменты, выделяемые некоторыми почвенными бактериями, может расщеплять питательные вещества в синтетической глине и делать более мелкие молекулы сахара доступными для подпитки метаболизма бактерий. В окружающей среде это может привести к выбросу большого количества CO2 из почвы в атмосферу.
Исследователи часто предполагали, что более крупные углеродные соединения защищены от высвобождения, когда они прилипают к глиняным поверхностям, что приводит к долгосрочному хранению углерода.
Некоторые недавние полевые исследования показали, что эти соединения могут отделяться от глины, но причина этого была загадочной, сказал ведущий автор Ян, который проводил исследование в качестве постдокторанта в Принстоне, а сейчас является доцентом Университета Миннесоты.
«Это очень важное явление, потому что оно предполагает, что углерод, связанный с почвой, может высвобождаться [и играть роль в] будущих изменениях климата», – сказал Ян. «Мы предоставляем прямые доказательства того, как этот углерод может высвобождаться – мы обнаружили, что ферменты, производимые бактериями, играют важную роль, но это часто игнорируется исследованиями моделирования климата», которые предполагают, что глина защищает углерод в почвах на протяжении тысяч годы.
Исследование возникло в результате бесед между Стоуном и соавтором Яном Бургом, доцентом кафедры гражданской и экологической инженерии и Экологического института Хай-Мидоуз. Лаборатория Стоуна использовала микрофлюидные устройства для изучения свойств синтетических волокон и бактериальных биопленок, в то время как Бург обладает опытом в области геохимии поверхности глинистых минералов, которые, как считается, вносят наибольший вклад в накопление углерода в почве из-за их мелкомасштабной структуры и поверхностных зарядов.
Стоун, Бург и их коллеги осознали необходимость экспериментальной проверки некоторых допущений в широко используемых моделях хранения углерода. Ян присоединился к группе Стоуна, чтобы возглавить исследование, а также сотрудничал с Синнинг Чжаном, доцентом геолого-геофизических наук и Институтом окружающей среды Хай-Мидоуз, который исследует метаболизм бактерий и их взаимодействие с почвенной средой.
Джиньюнь Тан, научный сотрудник отдела климатических наук Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, отметил, что в последние годы он и другие наблюдатели наблюдали деградацию крупных молекул углерода в почвах и выдвинули гипотезу, что это опосредовано биологически производимыми ферментами.
Наблюдения команды из Принстона «очень убедительно подтверждают нашу гипотезу», – сказал Тан, не принимавший участия в исследовании.
Он добавил, что метод исследования также может быть использован для изучения таких вопросов, как «Будет ли обратимое взаимодействие между молекулами углерода небольшого размера и частицами глины вызывать углеродное голодание микробов и способствовать его стабилизации? И как такое взаимодействие помогает поддерживать микробное разнообразие в почве?? Это очень захватывающее начало."
В будущих исследованиях будет проверено, могут ли бактерии в модельной системе выделять собственные ферменты для разложения крупных молекул углерода и использовать их для получения энергии, выделяя при этом CO2.
Хотя описанная Tang стабилизация углерода возможна, недавно обнаруженное явление могло иметь и противоположный эффект, способствуя возникновению петли положительной обратной связи, способной усугубить темпы изменения климата, заявили авторы исследования. Другие эксперименты показали эффект «прайминга», при котором увеличение количества мелких молекул сахара в почве приводит к высвобождению почвенного углерода, что, в свою очередь, может вызвать более быстрый рост бактерий и высвобождение большего количества ферментов для дальнейшего расщепления более крупных молекул углерода, что приводит к дальнейшее увеличение бактериальной активности.
Исследование было поддержано программой Grand Challenges и Инициативой по снижению выбросов углерода Принстонского экологического института High Meadows.