Undgået af mikrober, organisk kulstof kan modstå nedbrydning i underjordiske miljøer

Jordbunden og sedimenterne under vores fødder kan indeholde en forbløffende mængde kulstof - mere end i alle verdens planter og atmosfæren tilsammen - og repræsenterer en betydelig potentiel kilde til drivhusgassen kuldioxid.

I en ny undersøgelse, Stanford-forskere har afsløret en hidtil ukendt mekanisme, der forklarer, hvorfor mikrober nogle gange undlader at nedbryde alt plante- og dyremateriale, efterlader kulstof under fødderne. Forstå hvor, og hvor længe, dette begravede organiske stof bliver hængende, er afgørende for, at videnskabsmænd og politiske beslutningstagere bedre kan forudsige og reagere på klimaændringer.

"Vores billede af, hvordan organisk stof nedbrydes i jord og sedimenter, er ufuldstændigt, " sagde undersøgelsens hovedforfatter Kristin Boye, en associeret stabsforsker ved Stanford Synchrotron Radiation Lightsource ved SLAC National Accelerator Laboratory og tidligere postdoktor ved Stanford's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab. "Med denne undersøgelse, vi får ny indsigt i mekanismerne for kulstofbevarelse i underjordiske miljøer med lav eller ingen ilt."

På iltsultede steder som moser og flodsletter, mikroorganismer nedbryder ikke alt det tilgængelige organiske stof ligeligt, viser undersøgelsen. I stedet, kulstofforbindelser, der ikke giver nok energi til at være umagen værd for mikroorganismer at nedbrydes, ender med at akkumulere. Dette overførte kulstof, imidlertid, forbliver ikke nødvendigvis låst væk under jorden i det lange løb. At være vandopløselig, kulstoffet kan sive ned i nærliggende iltrige vandveje, hvor mikrober let indtager det.

Til dato, modeller af lokale økosystemer og bredere klimaændringer har undladt at tage højde for denne nyfundne kulstofbevarelsesmekanisme, har hovedsageligt fokuseret på mikrobielle enzymer og tilgængeligheden af ​​andre elementer til nedbrydning af organisk stof.

"Jord og sedimenter er et enormt og dynamisk reservoir af kulstof, " sagde seniorforfatter Scott Fendorf, en professor i jordbundsbiogeokemi ved Stanford Earth. "Det er derfor, vi bekymrer os om omsætningstider her med hensyn til, hvor hurtigt organisk kulstof nedbrydes og frigives som kuldioxid til atmosfæren."

Sporing af kulstoffets skæbne

Til den nye undersøgelse, offentliggjort i dag i Natur Geovidenskab , forskerholdet indsamlede kerneprøver af nedgravede sedimenter fra fire flodsletter i det øvre Colorado River Basin i staterne Colorado og New Mexico.

Den cirka 3 fod lange, søjleformede prøver gik dybt nok til at nå ilt-udsultede lag, hvor mikrober skal skifte fra at lave den mikrobielle ækvivalent af at trække vejret ilt til at trække vejret svovl. I begge tilfælde, mikroberne kombinerer ilt eller svovl med kulstofbaseret mad for at producere energi og frigive enten kuldioxid eller svovldioxid til atmosfæren. (Den svovldioxid er ansvarlig for den karakteristiske lugt af iltfattige vådområder.)

For at identificere hvor i sedimentprøverne mikrober havde foretaget skiftet, forskerne henvendte sig til Stanford Synchrotron Radiation Lightsource-anlægget. Synkrotronmaskinen genererer ekstremt skarpt røntgenlys, der, når det skinnede på prøverne, genererer et signal, der afslører svovlets kemi. Tilstedeværelsen af ​​sulfidmineraler indikerer, hvor mikroberne begyndte at bruge svovl sammen med kulstof til at drive deres biokemiske maskineri.

Spørgsmålet var, om skiftet til svovl påvirkede de kulstofkilder, mikroberne spiste eller efterlod. At finde ud af, forskerne stolede på unik instrumentering og samarbejder inden for Environmental Molecular Sciences Laboratory ved Pacific Northwest National Laboratory i Richmond, Washington. Ved hjælp af en meget stærk magnet, et instrument kaldet et massespektrometer på laboratoriet karakteriserede det vandopløselige organiske materiale. Testene viste, at i modsætning til de lag, hvor ilt var tilgængelig, rester af kulstofforbindelser i sedimentprøverne, hvor svovl var blevet brugt til respiration, var for det meste af den slags, der kræver mere energi at nedbryde, end der ville blive frigivet gennem selve nedbrydningen. Til ingen nytte, derefter, til voksende mikrober, disse kulstofforbindelser var blevet i de dybere sedimentlag.

Finpudsning af modeller af kulstofkredsløbet

flodsletter, som dem, der blev udtaget i undersøgelsen, rangerer blandt de mest almindelige områder globalt for internering af plante- og dyrestoffer i vandbårne sedimenter. De iltfattige forhold skabt under jorden er kendt for at binde kulstof, men som undersøgelsen antyder, dels af tidligere ukendte årsager og med uforudsete konsekvenser. For sådanne oversvømmelsestruede, lavtliggende områder er per definition tæt på vandveje. Opløselig, ubrugt organisk materiale kan let migrere ind i en beluftet vandvej for efterfølgende nedbrydning, udløser algeopblomstring og andre problemer med vandkvaliteten, samtidig med at det fører til kuldioxidproduktion.

Modeller af, hvordan levende organismer, jorden, vandområder og atmosfæren genanvender kulstof vil i stigende grad skulle inkorporere nøglenuancer, ligesom konserveringsmekanismen beskrevet i den nye Stanford-undersøgelse, for at informere videnskabsfolks forståelse såvel som politiske beslutningstagere.

"Det er essentielt at få begrænsningerne i forhold til, hvad der virkelig styrer processerne med kulstofnedbrydning, " sagde Fendorf. "Det er det, vores undersøgelse hjælper med at belyse."