Mikrober i jorden er afgørende for livet og kan bidrage til at afbøde klimaforandringer

Kate Scow, professor i jordvidenskab og jordmikrobiel økologi ved UC Davis, holder plastposer fyldt med jord på sit skrivebord.

Vi mødes på hendes kontor i Plant og Environmental Sciences Building på campus, ikke ude på Russell Ranch, hvor hun er direktør for universitetets unikke 300 hektar store forskningsfacilitet, der studerer de langsigtede virkninger af ledelsespraksis og klima på landbrugets bæredygtighed. Californien regner endelig igen. "Vores jordbund er helt våd, og det er lidt svært at flytte rundt der lige nu, "siger Scow.

En af poserne er fyldt med smuldrende lysebrun jord, der holder sammen i små klumper. Det er fra en organisk administreret tomatmark. En anden taske har en næsten solid, grå blok af snavs, som en mursten af ​​cement.

"Det er fordi det blev bearbejdet, da det var vådt. Konstruktionen er fuldstændig nedbrudt." Hun tager fat i posen og holder den op. "Men du vil måske blive overrasket over, at selv denne kampesten har nogle mikroorganismer i sig. De er overalt."

Mikrobiel økologi er et af Scows primære forskningsområder. Det, hun forsøger at forstå, er, hvordan vi kan omlægge landbrugspraksis "under jorden" og forbedre aktiviteten af ​​gavnlige mikroorganismer. Bare et par af hendes seneste forskningsprojekter omfatter at se på bakteriers og svampes følsomhed over for jordbearbejdning og dækning af afgrøder, og mineralgødningens indvirkning på forvaltede og ikke -administrerede landbrugssystemer.

Selvom mikrober i jorden er afgørende for livet på jorden, forskere indrømmer let, at de stadig ved relativt lidt om dem. Det, de ved, er, at de er meget, meget rigelig og meget, meget forskelligartet.

"Et gram jord - cirka en fjerdedel af en teske - kan let indeholde en milliard bakterieceller og flere miles svampetråde, "siger Scow.

Og hvor mange forskellige organismer kan være i jorden? "Jordbunden er overvældende mangfoldig, med anslået 10, 000 til 50, 000 forskellige taxaer i en teskefuld jord. Disse tal er svære at gætte og bliver ved med at blive justeret, da vi lærer mere om jordmikrobiomet gennem sekventeringsindsats, "siger Scow, henvisning til genomisk sekventering, som identificerer organismer ved deres unikke genetiske egenskaber.

Et levende økosystem

I modsætning til Scow, når de fleste af os kører forbi en nypløjet landbrugsmark, vi ser snavs. Vi kan forestille os tilstedeværelsen af ​​et par fejl, måske orme, men i det væsentlige, de fleste af os ser jord som et livløst underlag, som planter vokser ind i.

Men jord er faktisk et levende væsen, et mangfoldigt økosystem, der er et af de mest komplekse på planeten. Og det er en, der er afgørende for menneskelivet gennem alle de funktioner, den leverer - fødevareproduktion, vandrensning, reduktion af drivhusgasser, og oprydning af forurening, for at nævne et par stykker.

"Mange processer, der er virkelig vigtige i jorden, som nedbrydning af organisk materiale, går ud på at opbygge jordstrukturen - aggregaterne - som er jordens strukturelle enheder, "siger Scow." Disse aggregater bestemmer, hvor godt vandet dræner, når det regner, hvor godt det bevares, når det bliver tørt. Og udvekslingen af ​​gasser - ligesom evnen til at få ilt til at plante rødder - bestemmes af jordens struktur. "

Det, du ser, når du vender en skovl sund jord, er ikke bare tilfældighed. "Mikrober er arkitekterne, der bygger den struktur, "siger Scow. Og hun påpeger, at hvordan vi forvalter vores jordbrugsjord, kan afgøre, om vi hjælper eller forhindrer disse mikroskopiske konstruktionsingeniører.

Sund jord kan hjælpe med at afbøde klimaændringer

Tarmmikrober har fået stor opmærksomhed i de seneste år, da forskere fortsætter med at låse op for det komplekse forhold mellem menneskers sundhed og det, der lever i vores tarm.

For mennesker er der nyttige præbiotika og probiotika. Det viser sig, at Lactobacillus bulgaricus og Streptococcus thermophiles bakterier i yoghurt er gode for os. Men findes der lignende "gode bakterier" til planter og jordbund?

Jeg spørger Radomir Schmidt, en postdoktor i Kate Scows laboratorium, det spørgsmål. Han griner. "Det er millionspørgsmålet. Vi ved, at der er mange jordmikrober, men vi ved ikke, hvad mange af dem gør. Ikke endnu, alligevel."

Han forklarer, at der er nyttige mikrober i jorden, men at forskere endnu ikke ved, hvordan interaktioner mellem jordmikrober fører til forskellige praktiske resultater.

Mikrober har utrolig forskellige funktioner i jorden. Der er nitrificerende mikrober, der omdanner ammonium til nitrit, og derefter nitrat. Der er mikrober, der kan metabolisere gødning og pesticider og endda forurenende stoffer. Men selvom egenskaberne ved nogle jordmikrober er kendt, der er stadig meget at lære, såsom hvor vigtigt teamarbejde mellem forskellige organismer er for at levere disse tjenester.

Kulbinding i jord

Jeg havde mødt Schmidt, da han deltog i et mikrobiomværksted på campus sponsoreret af Office of Research for at hjælpe UC Davis -forskernes netværk om mulige tværfaglige mikrobiomprojekter. Han var der for at brainstorme projekter som kulstofbinding.

Jord er blevet et fokus for at se på måder at afbøde klimaforandringer. Sund jord er mere modstandsdygtig i et miljø i forandring. Det nærer også planter, som gør det muligt for planterne at fjerne kuldioxid - en drivhusgas - fra atmosfæren.

Og jorden i sig selv er også et massivt depot til kulstof:Den huser kulstofforbindelser fra forfaldne planter og dyr, såvel som alt, hvad der lever i jorden - fra mikrober til orme til trærødder. Og kulstof er afgørende for, at jordmikrober kan blomstre.

Forskning har vist, at ændringer i landbrugspraksis kan øge det kulstof, der er lagret i jorden. En 20-årig undersøgelse på Russell Ranch fandt, at tilføjelse af kompost og dækafgrøder til marker, der voksede tomater i rotation med majs, øgede mængden af ​​jordkulstof med 37 procent.

Kate Scow deltog også i et langsigtet projekt ledet af Jeff Mitchell, en specialist i landbrugs- og naturressourcer på University of California Cooperative Extension, der så på bevarelseslandbrugets indvirkning på mængden af ​​kulstof i jorden. Den otteårige undersøgelse i San Joaquin-dalen fandt ud af, at bevaringslandbrugspraksis kunne øge mængden af ​​kulstof, der blev afsat i jorden med omkring 45 procent.

Staten Californien er så interesseret i jordens potentiale til at afbøde klimaforandringer, at California Department of Food and Agriculture afsatte 7,5 millioner dollars til Healthy Soils Initiative, som har som mål at bygge jordkulstof og reducere landbrugets drivhusgas.

Undersøgelser undersøger indvirkningen af ​​landbrugsteknikker på mikrober

Schmidts ph.d. er i bakteriel genetik. Han begyndte i Scows laboratorium med genetisk sekventering og gik gradvist over til at arbejde mere direkte med landbruget. Han kan godt lide at komme ud af laboratoriet. "Hovedprojektet, jeg arbejder på lige nu, er virkningerne af ikke-jordbrug og dyrkning af dækning på mikrobiomet. Vi kender ret godt de generelle virkninger af ikke at dyrke jorden og dyrke dækafgrøder, men vi ved meget mindre om virkninger på specifikke medlemmer af det mikrobielle samfund, «siger Schmidt.

For eksempel, han påpeger, at svampe er særligt følsomme over for den fysiske forstyrrelse, der opstår ved jordbearbejdning, hvorimod mange bakterier ikke er lige så påvirkede. For bakterierne, hvad der betød mere var mad - om dækafgrøden var der ikke er. Der kan være afvejninger med de forskellige metoder, hvilket er en af ​​mange grunde til at forskningen er så vigtig.

Og nogle gange er forskningsresultaterne uventede. Da Kelly Gravuer, derefter en ph.d. studerende i Scows laboratorium, lavede en undersøgelse, der tilføjede fjerkrækompost til tre forskellige jordtyper, hun var ret sikker på, at den mikrobielle mangfoldighed i den næringsfattige jord ville stige. Det gjorde den ikke. Det gik ned

"Klart, vi har stadig meget at lære om, hvordan vi kan oversætte viden fra plante- og dyreforsøg til den vidt forskellige mikroberverden, «siger Gravuer.

Lektioner fra skovrydning og regenerering i Amazonas

Jorge L. Mazza Rodrigues, en professor i UC Davis Department of Land, Luft- og vandressourcer, har studeret virkningen af ​​skovrydning i Amazonas regnskov siden 2008.

Hans første projekt var i Rondônia, en stat tæt på den bolivianske grænse og med sondringen om at have den højeste skovrydningshastighed i Amazonas. Senere, Rodrigues tilføjede et andet forskningsprojekt, i delstaten Pará, på den nordlige side af Amazonas. "De har store forskelle i, hvor meget regn de får, «siger Rodrigues.

Han er på den nordlige halvkugle det meste af året, og i dette kvartal underviser han i et seminar om metoder inden for mikrobiomforskning. Vi mødes på hans kontor i Plant and Environmental Sciences Building. Snesevis af navneskiltliner fra de forskellige konferencer, han har deltaget i, dingler fra sit tøjstativ under cykelhjelmen.

Rodrigues studerer ændringerne i jordens mikrobiom, når primære skove omdannes til græsgange. "Der er meget få primære skove i USA. Så, vi har arbejdet med tropiske systemer i disse dage, fordi det er den næste grænse inden for landbrugssystemer. "

Omkring 20 procent af Amazonas regnskov er fjernet - omdannet til græsgange for at opdrætte kvæg. Brasilien er blandt verdens fire største eksportører af oksekød. Det faktum, at USA har så få primære skove, er en af ​​grundene til, at Rodrigues forsøger at undgå dom om skovrydning i Amazonas på trods af dens indvirkning på miljøet.

"Fra min privilegerede position vil jeg ikke fortælle nogen, at de ikke skal gøre, hvad USA gjorde." Han ser sin rolle som at hjælpe med deres beslutninger. "Vi kan måske hjælpe mennesker, hvis vi siger 'lad os hjælpe dig med at opnå det, du vil opnå'."

For at omdanne uberørt regnskov til græsgange, de gamle væksttræer fjernes og sælges, og så er alt det, der er tilbage, brændt. Han siger, at forbrændingen kan fortsætte i flere uger.

Ændringerne i økosystemets mangfoldighed er indlysende og dramatiske efter konverteringen. "Du har fjernet alle planterne og træerne, og så har du måske et græs. Du går fra et stort antal dyrearter til måske en eller to arter - køer og meget få fugle, «siger Rodrigues.

Ændringer under overfladen

Men hvad han er der for at studere, er det, der ikke er så synligt:​​Han vil vide, at der er sket mikroorganismerne i jorden.

Han giver, som et eksempel, Acidobakterier. Acidobacteria er en stor, forskelligartet fylde af bakterier. "Som navnet antyder, de kan mere lide et surt miljø, lavere pH -jordarter som dem, vi finder i Amazonas -skoven, «siger Rodrigues.

Men efter at skoven er brændt, al asken befrugter jorden og øger pH, gør det mere basisk. "De fyre kan ikke lide det, "siger han. Acidobakterierne, der havde været i skoven, findes ikke i græsset." De er væk, fordi miljøet har ændret sig. "

Rodrigues har publiceret adskillige undersøgelser af mikrobiomet. Man kiggede på tabet af svampemangfoldighed i Amazonas. Et andet nyligt papir kiggede på nitrogen-metankredsløbet i Amazonas baseret på de mikrobielle samfund, der er forbundet med det. I en anden, han arbejdede med mikrobiomforskere fra Kina, som gennemgår den samme type skovrydning, der sker i Amazonas.

Og han er også involveret i projekter tættere på hjemmet, herunder et projekt i Californien med Kate Scow, der måler de mikrobielle emissionshastigheder for metan, der frigives på gårde ved hjælp af mejerigødning til kompost. "Det, vi lærte at gøre i Amazonas, anvender vi på californiske mælkebedrifter, «siger Rodrigues.

Fordi de konverterede græsgange i Amazonas ikke befrugtes, de ender med jord af dårlig kvalitet og forlades normalt efter syv til ti år. Et håbefuldt tegn, han ser for miljøgenopretning i Amazonas, er, hvad der derefter sker.

"Hvis du stadig har skov omkring denne græsgange, skoven vil begynde at kolonisere igen. Det starter som en beskidt græs - et par buske, træer hist og her - så tager det over igen. Det er ikke så smukt og stort som det primære på grund af træernes størrelse - det tager 350 år for et stort træ at vokse - men det vender tilbage til det system. Og vi har set, at de mikrobielle funktioner også vender tilbage, «siger Rodrigues.

Han påpeger, at en sekundær skov vokser og kan fange mere kulstof, end den primære skov, der havde været i klimaks, var i stand til at fange.

"Så længe vi vedligeholder korridorer og vedligeholder områderne med primær skov, det kan videresende det område. Dyr kan bevæge sig ind og ud. Vi kan bevare biodiversiteten, og miljøets struktur. "

Mikrobernes holdbarhed

Når vi taler om mikrobernes evne til at overleve i så forskellige miljøer, han beskriver, hvordan han havde hjulpet en kollega med at isolere mikrober, der havde levet dybt under jorden i den frosne permafrost i Sibirien. Bor i is.

"De var i live, men de ventede bare på at få en vis mængde næringsstoffer. "Han beskriver, hvordan en anden kollega isolerede levedygtige mikrober fra de frosne rester af en mammut fra sidste istid." De kom tilbage til livet. De var stadig levedygtige, «siger Rodrigues.

"Der er skøn over, at mikrober har været her i 3,8 milliarder år på planeten. Planeten omkring 4,8 milliarder år og de første tegn på mikrobielt liv omkring 3,8 milliarder år, «siger Rodrigues.

Rodrigues 'arbejde med mikrober har givet ham enorm respekt for organismerne. "Jeg beundrer dem." Han smiler. "De fyre kan overleve."