Jordmikrobernes overordnede rolle

Mange kompleksiteter af kulstofbindingsprocessen er stadig dårligt forstået, trods mange års forskning og den betydelige indvirkning af denne proces på det globale klima.

Nu, tre forskere har foreslået en ny tilgang til bedre at forstå jordens organiske stofs rolle i langsigtet kulstoflagring og dets reaktion på ændringer i det globale klima og atmosfærisk kemi. Trioen, herunder Julie Jastrow fra U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, offentliggjorde deres ideer i augustnummeret af Naturens mikrobiologi .

Artiklen kommer på et tidspunkt med stigende bekymring over det voksende problem med jordforringelse, og det nye koncept om jordbundssikkerhed (stabilisering og forbedring af verdens jordressourcer).

"Jord er vigtig for livet på Jorden, som vi kender det, " sagde Jastrow, en senior terrestrisk økolog og gruppeleder i Argonnes Environmental Science Division. "Jord, og især jordens organiske stof, er nøglen til mange af de væsentlige tjenester og funktioner, som jord giver."

"Jord organisk stof specialister har længe troet, at rester af forfaldet plantemateriale var de vigtigste komponenter i stabiliseret jordkulstof, " sagde Chao Liang fra Institute of Applied Ecology ved det kinesiske videnskabsakademi, hovedforfatter til artiklen Nature Microbiology og en tidligere postdoc ved Argonne. "Men udviklingen af ​​analytiske tilgange har fået forskere til at skifte i retning af, at død mikrobiel biomasse og andre mikrobielle rester kan bidrage endnu mere væsentligt til stabile kulstofpuljer."

"Jeg er enig med Chao i, at vi ser et paradigmeskifte. Vi har muligvis ikke værktøjerne eller dataene endnu til fuldt ud at understøtte eller kvantificere dette, men vores tankegang udvikler sig, " sagde Jastrow.

Ideerne præsenteret i Naturens mikrobiologi artiklen blev finpudset, da medforfatter, Joshua Schimel, en førende jordmikrobiel økolog fra University of California, Santa Barbara, besøgte Liangs laboratorium i 2015. Liang inviterede senere Jastrow til at hjælpe dem med at forfine deres ideer yderligere.

"De konceptuelle rammer og ideer beskrevet i denne artikel kan give os fingerpeg om, hvordan vi bedre kan stabilisere og forny sårbare eller nedbrudte jordbunde, " sagde Liang. "Det giver også indsigt om oprindelsen af ​​forskellige former for organisk materiale i jorden."

"Denne nye indsigt er afgørende for vores nationale og globale diskussioner om jordsårbarhed og jordens bæredygtighed til produktion af fødevarer og biobrændstoffer, økologisk bæredygtighed, miljø- og klimapolitik, " han sagde.

I kulstofkredsløbet, kulstof bevæger sig blandt planter, dyr, jord, jordskorpen, frisk vand, havene og atmosfæren. Sequestreret kulstof er kulstof, der forbliver i langtidsopbevaring. Jordens kulstof vokser og aftager, afhængig af balancen mellem input af nye organiske materialer og output. Tab opstår for det meste gennem nedbrydning, men også gennem udvaskning til grundvand eller overfladeerosion.

Undersøgelser har længe fokuseret på, hvordan planteaffald - for det meste døde blade, stængler og rødder - nedbrydes og omdannes til jordens organiske stof. Bidraget fra den levende biomasse af mikrober til jordens kulstof, som kun tegner sig for 1 til 5 procent af jordens samlede kulstof, har fået meget mindre opmærksomhed, imidlertid.

"Da forskere sammenlignede mængden af ​​levende mikrobiel biomasse med de årlige input fra planter, det virkede naturligt at tro, at hovedparten af ​​jordens organiske stof skulle komme fra planteaffald, " bemærkede Jastrow.

Selvom den levende biomasse af mikrober er lille, disse organismer vokser, leve og dø i et hurtigt tempo. Det betyder, at mikrobielle tilførsler til jordens organiske stof kan være meget større end tidligere antaget, især når en betydelig del af disse input stabiliseres snarere end nedbrydes. Men selv med ny indsigt og forbedringer i de værktøjer, der bruges til at studere jordens organiske stof, mange spørgsmål og ubekendte fortsætter.

"Forskere har i flere årtier vidst, at jordens organiske stof inkluderer mikrobielle rester, men de indså den potentielle størrelse af disse bidrag for nylig, " sagde Jastrow. Hun og hendes kolleger foreslår, at to typer mikrobiel metabolisk aktivitet i vid udstrækning styrer omfanget af mikrobielle bidrag til dannelsen af ​​organisk stof i jorden.

Gennem katabolisk aktivitet, mikrober nedbryder komplekse molekyler til at danne simplere, som frigiver kulstof som kuldioxid. Gennem anabolsk aktivitet, mikrober syntetiserer komplekse molekyler fra simplere, som bidrager til kulstoflagring.

Forskerne foreslår at vedtage en tilgang baseret på et koncept kaldet jordens mikrobielle kulstofpumpe for at hjælpe med at stimulere frugtbar ny forskning på dette område. Havforskere rejste først det mikrobielle kulstofpumpekoncept. Den marine mikrobielle kulstofpumpe binder kulstof ved at overføre det dybt ind i havene. Gennem denne proces, bakterier bidrager væsentligt til langsigtet kulstoflagring og regulering af atmosfærisk kuldioxid.

"At udnytte det mikrobielle kulstofpumpekoncept, der opstod i marin litteratur, giver simpelthen en måde at organisere og tænke på alle de forskellige kompleksiteter, der er forbundet med mikrobiel anabolismes rolle i dannelsen af ​​jordens organiske stof, " sagde Jastrow.

I deres papir, Jastrow og hendes kolleger forbinder den mikrobielle kulstofpumpe med mikrobielt syntetiserede forbindelsers evne til at blive stabiliseret af intime fysiske og kemiske associationer med jordmineraler. De kalder dette sidstnævnte fænomen for "entombing-effekten". Jordens mikrobielle kulstofpumpe forstærker denne effekt, især via in vivo omsætningsprocessen, fastholder forskerne. Med in vivo omsætning, mikroorganismer metabolisk behandler plantematerialer for at generere biomasse. Når disse mikrober dør, deres rester er mere tilbøjelige til at blive "begravet" end planterester, forbedre puljen af ​​vedvarende kulstof i jorden.

Samspillet mellem de katabolske og anabolske processer spiller en nøglefaktor i at vippe balancen mellem den graverende effekt og dens bagside, priming-effekten, som hjælper med at frigive kulstof fra stabilt organisk stof. Når den er frisk, let nedbrydelige rester kommer ind i jorden, denne let tilgængelige energikilde kan "prime" mikrobernes kataboliske aktiviteter og stimulere nedbrydningen af ​​mere komplekse og stabile puljer af organisk materiale i jorden.

Dermed, tilføjelse af nye, eksternt produceret kulstof kan øge produktionen af ​​kuldioxid ved at sætte gang i mikrobiel nedbrydning af eksisterende organisk materiale i jorden, og samtidig kan det føre til større begravelse af mikrobielle rester.

"Men, forskere vil have brug for bedre analytiske værktøjer til mere nøjagtigt at kvantificere massen af ​​dødt mikrobielt materiale og rester i jord, og at forstå de faktorer, der styrer balancen mellem graverings- og priming-effekterne, " bemærkede Liang.

"Der findes i øjeblikket få data, der direkte informerer vores kvantificering og forståelse af mekanismerne bag jordmikrobielle kulstofpumpekoncept, " han sagde.

Selv nu, mange af de analytiske metoder og instrumenter, der giver ny indsigt i jordens organiske stof, er stadig utilstrækkelige.

"Alligevel, den nye indsigt begynder at ændre, hvordan vi tænker om jordens organiske stof og dets dannelse, nedbrydning og dynamik, " sagde Jastrow.

"Ved at organisere denne indsigt omkring konceptet med en jordmikrobiel kulstofpumpe, " tilføjede Liang, "Vi håber at inspirere til ny forskning rettet mod mikroorganismers rolle i skabelsen af ​​jordens organiske stof og dens modstandsdygtighed over for forstyrrelser eller ændrede miljøforhold."