Многие сложности процесса связывания углерода остаются плохо изученными, несмотря на годы исследований и значительное влияние этого процесса на глобальный климат.
Теперь трое ученых предложили новый подход, чтобы лучше понять роль органического вещества почвы в долгосрочном хранении углерода и его реакцию на изменения глобального климата и химии атмосферы. Трио, включая Джули Джастроу из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), опубликовало свои идеи в августовском номере журнала Nature Microbiology.
"Исследователи уже несколько десятилетий знали, что органическое вещество почвы включает микробные остатки, но недавно они осознали потенциальные масштабы этого вклада". - Аргоннский ученый Джули Ястроу
Статья выходит в период растущей озабоченности по поводу растущей проблемы деградации почвы и новой концепции безопасности почвы (стабилизация и улучшение мировых почвенных ресурсов).
«Почва важна для жизни на Земле, какой мы ее знаем», - сказал Джастроу, старший наземный эколог и руководитель группы в Аргоннском отделе наук об окружающей среде. «Почвы, и особенно почвенные органические вещества, играют ключевую роль во многих важных услугах и функциях, которые обеспечивают почвы».
«Специалисты по почвенному органическому веществу долгое время считали, что остатки разложившегося растительного вещества являются основными компонентами стабилизированного почвенного углерода», - сказал Чао Лян из Института прикладной экологии Китайской академии наук, ведущий автор журнала Nature Microbiology. статья и бывший научный сотрудник с докторской степенью в Аргонне. «Но развивающиеся аналитические подходы привели исследователей к тому, что мертвая микробная биомасса и другие микробные остатки могут внести еще более значительный вклад в стабильные углеродные пулы."
«Я согласен с Чао в том, что мы наблюдаем смену парадигмы. Возможно, у нас еще нет инструментов или данных, чтобы полностью подтвердить или измерить это, но наше мышление развивается», - сказал Джастроу.
Идеи, представленные в статье Nature Microbiology, были отточены, когда соавтор Джошуа Шимел, ведущий эколог почвенных микробов из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, посетил лабораторию Лян в 2015 году. Позже Лян пригласил Джастроу помочь им. дальше совершенствовать свои идеи.
«Концептуальная основа и идеи, описанные в этой статье, могут дать нам подсказки о том, как лучше стабилизировать и обновить уязвимые или деградированные почвы», - сказал Лян. «Это также дает представление о происхождении различных форм органического вещества почвы».
«Это новое понимание важно для наших национальных и глобальных дискуссий об уязвимости почв и устойчивости почв для производства продуктов питания и биотоплива, экологической устойчивости, гигиены окружающей среды и климатической политики», - сказал он.
В круговороте углерода углерод перемещается между растениями, животными, почвами, земной корой, пресной водой, океанами и атмосферой. Секвестрированный углерод - это углерод, который остается в долгосрочном хранилище. Почвенный углерод увеличивается и уменьшается в зависимости от баланса между поступлением новых органических материалов и выходом. Потери происходят в основном из-за разложения, а также из-за выщелачивания в грунтовые воды или поверхностной эрозии.
Исследования долгое время были сосредоточены на том, как растительный мусор - в основном мертвые листья, стебли и корни - разлагается и превращается в органическое вещество почвы. Однако вкладу живой биомассы микробов в почвенный углерод, который составляет всего от 1 до 5 процентов от общего почвенного углерода, уделяется гораздо меньше внимания.
«Когда исследователи сравнили количество живой микробной биомассы с годовым поступлением растений, казалось естественным предположить, что основная часть органического вещества почвы должна поступать из растительного опада», - отметил Джастроу..
Несмотря на то, что живая биомасса микробов невелика, эти организмы растут, живут и умирают быстрыми темпами. Это означает, что микробные входы в органическое вещество почвы могут быть намного больше, чем считалось ранее, особенно когда значительная часть этих входов стабилизируется, а не разлагается. Но даже с новыми открытиями и улучшениями в инструментах, используемых для изучения органического вещества почвы, остается много вопросов и неизвестных.
«Исследователи знали в течение нескольких десятилетий, что органическое вещество почвы включает микробные остатки, но они осознали потенциальные масштабы этого вклада совсем недавно», - сказал Джастроу. Она и ее коллеги предполагают, что два типа микробной метаболической активности в значительной степени контролируют величину микробного вклада в формирование органического вещества почвы.
Благодаря катаболической активности микробы расщепляют сложные молекулы, образуя более простые, которые выделяют углерод в виде углекислого газа. Благодаря анаболической активности микробы синтезируют сложные молекулы из более простых, что способствует накоплению углерода.
Ученые предлагают принять подход, основанный на концепции почвенного микробного углеродного насоса, чтобы стимулировать новые плодотворные исследования в этой области. Морские исследователи впервые подняли концепцию микробного угольного насоса. Морской микробный углеродный насос улавливает углерод, перекачивая его глубоко в океаны. Благодаря этому процессу бактерии вносят значительный вклад в долгосрочное хранение углерода и регулирование содержания углекислого газа в атмосфере.
«Использование концепции микробного углеродного насоса, которая возникла в морской литературе, просто обеспечивает способ организации и осмысления всех различных сложностей, связанных с ролью микробного анаболизма в формировании органического вещества почвы», - сказал Джастроу..
В своей статье Джастроу и ее коллеги связывают микробный углеродный насос со способностью микробно-синтезированных соединений стабилизироваться за счет тесных физических и химических ассоциаций с почвенными минералами. Они называют это последнее явление «эффектом погребения». Почвенный микробный углеродный насос усиливает этот эффект, особенно за счет процесса круговорота в естественных условиях, утверждают ученые. При обороте in vivo микроорганизмы метаболически перерабатывают растительные материалы с образованием биомассы. Когда эти микробы умирают, их остатки с большей вероятностью будут «погребены», чем растительные остатки, увеличивая запас устойчивого почвенного углерода.
Взаимодействие между катаболическими и анаболическими процессами играет ключевую роль в изменении баланса между эффектом погребения и его оборотной стороной, эффектом заполнения, который помогает высвобождать углерод из стабильного органического вещества. Когда свежие, легко разлагающиеся остатки попадают в почву, этот легкодоступный источник энергии может «подстегнуть» катаболическую активность микробов и стимулировать разложение более сложных и стабильных пулов органического вещества почвы.
Таким образом, добавление нового углерода, произведенного извне, может увеличить производство двуокиси углерода, стимулируя микробное разложение существующего органического вещества почвы, и в то же время может привести к большему захоронению микробных остатков.
«Но исследователям потребуются более совершенные аналитические инструменты для более точного количественного определения массы мертвого микробного материала и остатков в почве, а также для понимания факторов, контролирующих баланс между эффектами захоронения и грунтования», - отметил Лян.
«В настоящее время существует мало данных, которые напрямую информируют нас о количественных оценках и понимании механизмов, лежащих в основе концепции почвенного микробного углеродного насоса», - сказал он.
Даже сейчас многие аналитические методы и инструменты, которые позволяют по-новому взглянуть на органическое вещество почвы, по-прежнему недостаточны.
«Тем не менее, новые идеи начинают менять наше представление об органическом веществе почвы, его формировании, деградации и динамике», - сказал Джастроу.
«Объединяя эти идеи с концепцией почвенного микробного углеродного насоса, - добавил Лян, - мы надеемся вдохновить на новые исследования, направленные на изучение роли микроорганизмов в создании органического вещества почвы и ее устойчивости к нарушениям или изменение условий окружающей среды."