Kulstofknusende jordbakterier kan udgøre en skjult klimarisiko

Meget af jordens kulstof er fanget i jorden, og videnskabsmænd har antaget, at potentielle klimaopvarmende forbindelser sikkert ville blive der i århundreder. Men ny forskning fra Princeton University viser, at kulstofmolekyler potentielt kan undslippe jorden meget hurtigere end tidligere antaget. Resultaterne tyder på en nøglerolle for nogle typer jordbakterier, som kan producere enzymer, der nedbryder store kulstofbaserede molekyler og tillader kuldioxid at slippe ud i luften.

Der lagres mere kulstof i jorden end i alle planetens planter og atmosfære tilsammen, og jord absorberer omkring 20% ​​af menneskeskabt kulstofemission. Endnu, faktorer, der påvirker kulstoflagring og frigivelse fra jord, har været udfordrende at studere, sætter grænser for relevansen af ​​jordkulstofmodeller til at forudsige klimaændringer. De nye resultater hjælper med at forklare voksende beviser for, at store kulstofmolekyler kan frigives fra jorden hurtigere, end det antages i almindelige modeller.

"Vi gav en ny indsigt, som er biologiens overraskende rolle og dens forbindelse til, om kulstof forbliver lagret "i jorden, sagde medforfatter Howard Stone, Donald R. Dixon '69 og Elizabeth W. Dixon professor i mekanisk og rumfartsteknik.

I et papir udgivet 27. januar i Naturkommunikation , forskerne, ledet af tidligere postdoc Judy Q. Yang, udviklet "jord på en chip" -eksperimenter for at efterligne interaktionerne mellem jord, kulstofforbindelser og jordbakterier. De brugte en syntetisk, transparent ler som stand-in for lerkomponenter i jord, som spiller den største rolle i at absorbere kulstofholdige molekyler.

"Chippen" var et modificeret mikroskopglas, eller en mikrofluidisk enhed, indeholdende silikonevæggede kanaler en halv centimeter lange og flere gange bredden af ​​et menneskehår (ca. 400 mikrometer). Indløbs- og udløbsrør i hver ende af kanalerne gjorde det muligt for forskerne at injicere den syntetiske leropløsning, efterfulgt af suspensioner indeholdende kulstofmolekyler, bakterier eller enzymer.

Efter belægning af kanalerne med det gennemsigtige ler, forskerne tilføjede fluorescensmærkede sukkermolekyler for at simulere kulstofholdige næringsstoffer, der lækker fra planternes rødder, især under nedbør. Eksperimenterne gjorde det muligt for forskerne direkte at observere kulstofforbindelsers placering i leret og deres bevægelser som reaktion på væskestrømmen i realtid.

Både små og store sukkerbaserede molekyler klæbede til det syntetiske ler, da de strømmede gennem enheden. I overensstemmelse med nuværende modeller, små molekyler blev let løsnet, mens større forblev fanget i leret.

Da forskerne tilføjede Pseudomonas aeruginosa, en almindelig jordbakterie, til jord-på-en-chip-enheden, bakterierne kunne ikke nå næringsstofferne i lerets små porer. Imidlertid, enzymet dextranase, som repræsenterer enzymer frigivet af visse jordbakterier, kunne nedbryde næringsstofferne i det syntetiske ler og gøre mindre sukkermolekyler tilgængelige for at fremme bakteriel metabolisme. I miljøet, dette kan føre til store mængder CO ₂ frigives fra jorden til atmosfæren.

Forskere har ofte antaget, at større kulstofforbindelser er beskyttet mod frigivelse, når de klæber til leroverflader, resulterer i langsigtet kulstofopbevaring. Nogle nyere feltundersøgelser har vist, at disse forbindelser kan løsne sig fra ler, men årsagen til dette har været mystisk, sagde hovedforfatter Yang, som udførte forskningen som postdoktor ved Princeton og nu er adjunkt ved University of Minnesota.

"Dette er et meget vigtigt fænomen, fordi det tyder på, at det kulstof, der er afsat i jorden, kan frigives [og spille en rolle i] fremtidige klimaændringer, " sagde Yang. "Vi leverer direkte beviser for, hvordan dette kulstof kan frigives - vi fandt ud af, at enzymerne produceret af bakterier spiller en vigtig rolle, men dette er ofte blevet ignoreret af klimamodelleringsstudier", der antager, at ler beskytter kulstof i jord i tusinder af år.

Undersøgelsen udsprang af samtaler mellem Stone og medforfatter Ian Bourg, en adjunkt i civil- og miljøteknik og High Meadows Environmental Institute. Stone's lab har brugt mikrofluidiske enheder til at undersøge egenskaberne af syntetiske fibre og bakterielle biofilm, mens Bourg har ekspertise i overfladegeokemi af lermineraler - som menes at bidrage mest til jordens kulstoflagring på grund af deres finskalastruktur og overfladeladninger.

Sten, Bourg og deres kolleger indså, at der var et behov for eksperimentelt at teste nogle af antagelserne i udbredte modeller for kulstoflagring. Yang sluttede sig til Stones gruppe for at lede forskningen, og samarbejdede også med Xinning Zhang, en adjunkt i geovidenskab og High Meadows Environmental Institute, der undersøger bakteriers stofskifte og deres interaktion med jordmiljøet.

Jinyun Tang, en forsker i klimavidenskabsafdelingen ved Lawrence Berkeley National Laboratory, bemærkede, at han og andre i de senere år har observeret nedbrydningen af ​​store kulstofmolekyler i jord og antaget, at det var medieret af biologisk producerede enzymer.

Princeton-holdets observationer "giver en meget stærk støtte til vores hypotese, "sagde Tang, som ikke var involveret i undersøgelsen. Han tilføjede, at undersøgelsens teknik også kunne bruges til at undersøge spørgsmål som "Vil den reversible vekselvirkning mellem småkulstofmolekyler og lerpartikler fremkalde kulstofsult hos mikroberne og bidrage til kulstofstabilisering? Og hvordan hjælper sådanne interaktioner med at opretholde den mikrobielle mangfoldighed? i jord? Det er en meget spændende start."

Fremtidige undersøgelser vil teste, om bakterier i modelsystemet kan frigive deres egne enzymer til at nedbryde store kulstofmolekyler og bruge dem til energi, frigiver CO ₂ i processen.

Mens den beskrevne kulstofstabilisering Tang er mulig, det nyopdagede fænomen kunne også have den modsatte effekt, at bidrage til en positiv feedback-loop med potentiale til at forværre tempoet i klimaændringerne, undersøgelsens forfattere sagde. Andre eksperimenter har vist en "primende" effekt, hvor stigninger i små sukkermolekyler i jorden fører til frigivelse af jordkulstof, hvilket igen kan få bakterier til at vokse hurtigere og frigive flere enzymer for yderligere at nedbryde større kulstofmolekyler, fører til yderligere stigninger i bakteriel aktivitet.