Kate Scow, professor i markvetenskap och markmikrobiell ekologi vid UC Davis, håller plastpåsar fyllda med jord på sitt skrivbord.

Vi träffas på hennes kontor i Plant and the Environmental Sciences Building på campus, inte ute på Russell Ranch, där hon är chef för universitetets unika 300 hektar stora forskningsanläggning som studerar de långsiktiga effekterna av förvaltningspraxis och klimat på jordbrukets hållbarhet. Kalifornien är äntligen regnigt igen. "Våra jordar är sjukt blöta och det är lite svårt att flytta runt där just nu, säger Scow.

En av påsarna är fylld med smulig ljusbrun jord som håller ihop i små klumpar. Det är från ett ekologiskt skött tomatfält. En annan väska rymmer en nästan solid, grått block av smuts, som en tegelsten.

"Det beror på att den bearbetades när den var våt. Strukturen har gått sönder helt." Hon tar tag i påsen och håller upp den. "Men du kan bli förvånad över att till och med denna sten har några mikroorganismer i sig. De finns överallt."

Mikrobiell ekologi är ett av Scows främsta forskningsområden. Vad hon försöker förstå är hur vi kan fokusera jordbruksmetoder "under marken" och förbättra aktiviteten hos fördelaktiga mikroorganismer. Bara några av hennes senaste forskningsprojekt inkluderar att titta på bakteriers och svampars känslighet för jordbearbetning och täckning av grödor, och mineralgödselns inverkan på hanterade och icke hanterade jordbrukssystem.

Även om mikrober i jorden är avgörande för livet på jorden, forskare erkänner gärna att de fortfarande vet relativt lite om dem. Vad de vet är att de är väldigt, mycket rikligt och mycket, mycket olika.

"Ett gram jord - ungefär en kvarts tesked - kan lätt innehålla en miljard bakterieceller och flera mil svamptrådar, säger Scow.

Och hur många olika typer av organismer kan finnas i jorden? "Marken är överväldigande mångfaldig, med uppskattningsvis 10, 000 till 50, 000 olika taxa i en tesked jord. Dessa siffror är svåra att gissa och fortsätter att justeras när vi lär oss mer om jordmikrobiomet genom sekvensering, "säger Scow, refererar till genomisk sekvensering, som identifierar organismer med sina unika genetiska egenskaper.

Ett levande ekosystem

Till skillnad från Scow, när de flesta av oss kör förbi ett nyplöjt jordbruksfält, vi ser smuts. Vi kan föreställa oss förekomsten av några buggar, kanske maskar, men i huvudsak, de flesta av oss ser jorden som ett livlöst substrat som växter växer in i.

Men jord är faktiskt en levande enhet, ett mångsidigt ekosystem som är ett av de mest komplexa på planeten. Och det är en som är väsentlig för människolivet genom alla funktioner som den tillhandahåller - matproduktion, vattenrening, minskning av växthusgaser, och sanering av föroreningar, för att nämna några.

"Många processer som verkligen är viktiga i jorden, som sönderdelning av organiskt material, går in på att bygga upp jordstrukturen - aggregaten - som är jordens strukturella enheter, "säger Scow." Dessa aggregat avgör hur väl vattnet rinner ut när det regnar, hur bra den behålls när den torkar. Och gasutbytet - liksom förmågan att få syre till växtrötter - bestäms av jordens struktur. "

Det du ser när du vänder på en spade hälsosam jord är inte bara en händelse. "Mikrober är arkitekterna som bygger den strukturen, "säger Scow. Och hon påpekar att hur vi hanterar våra jordbruksjordar kan avgöra om vi hjälper eller hindrar dessa mikroskopiska konstruktionstekniker.

Friska jordar kan hjälpa till att mildra klimatförändringarna

Tarmmikrober har fått mycket uppmärksamhet de senaste åren när forskare fortsätter att låsa upp det komplexa förhållandet mellan människors hälsa och det som lever i våra tarmar.

För människor finns det bra prebiotika och probiotika. Det visar sig att Lactobacillus bulgaricus och Streptococcus thermophiles bakterier i yoghurt är bra för oss. Men finns det liknande "goda bakterier" för växter och jordar?

Jag frågar Radomir Schmidt, en postdoktor i Kate Scows laboratorium, den frågan. Han skrattar. "Det är miljonfrågan. Vi vet att det finns många jordmikrober men vi vet inte vad många av dem gör. Inte än, i alla fall."

Han förklarar att det finns hjälpsamma mikrober i jorden, men att forskare ännu inte vet hur interaktioner mellan jordmikrober leder till olika praktiska resultat.

Mikrober har otroligt olika funktioner i jorden. Det finns nitrifierande mikrober som omvandlar ammonium till nitrit, och sedan nitrat. Det finns mikrober som kan metabolisera gödningsmedel och bekämpningsmedel och till och med föroreningar. Men även om egenskaperna hos vissa jordmikrober är kända, det finns mycket kvar att lära, till exempel hur viktigt lagarbete mellan olika organismer är för att tillhandahålla dessa tjänster.

Kolbindning i jord

Jag hade träffat Schmidt när han deltog i en mikrobiomverkstad på campus sponsrad av Office of Research för att hjälpa UC Davis forskares nätverk om möjliga tvärvetenskapliga mikrobiomprojekt. Han var där för att brainstorma projekt som koldioxidbindning.

Jord har blivit ett fokus för att titta på sätt att mildra klimatförändringar. Frisk jord är mer motståndskraftig i en föränderlig miljö. Det ger också näring åt växter, som gör att växterna kan ta bort koldioxid - en växthusgas - från atmosfären.

Och jorden i sig är också ett massivt förråd för kol:Den rymmer kolföreningarna i sönderfallande växter och djur, liksom allt som lever i jorden - från mikrober till maskar till trädrötter. Och kol är viktigt för att jordmikrober ska kunna blomstra.

Forskning har visat att förändringar av jordbruksmetoder kan öka kolet som lagras i jorden. En 20-årig studie på Russell Ranch fann att tillsättning av kompost och täckgrödor till åkrar som odlade tomater i rotation med majs ökade mängden jordkol med 37 procent.

Kate Scow deltog också i ett långsiktigt projekt som leds av Jeff Mitchell, en specialist på kooperativ tillbyggnad vid University of California Agriculture and Natural Resources, som tittade på bevarande jordbrukets påverkan på mängden kol i marken. Den åttaåriga studien i San Joaquin-dalen fann att bevarande av jordbruksmetoder kan öka mängden kol som utsöndras i jorden med cirka 45 procent.

Delstaten Kalifornien är så intresserad av jordens potential att mildra klimatförändringarna att California Department of Food and Agriculture avsatte 7,5 miljoner dollar för Healthy Soils Initiative, som har som mål att bygga upp markkol och minska växthusgas i jordbruket.

Studier undersöker effekterna av jordbrukstekniker på mikrober

Schmidts doktorand är inom bakteriell genetik. Han började i Scows laboratorium med genetisk sekvensering och gick gradvis över till att arbeta mer direkt med jordbruk. Han gillar att komma ut från labbet. "Huvudprojektet som jag arbetar med just nu är effekterna av jordbruks- och täckodling på mikrobiomet. Vi vet ganska väl de allmänna effekterna av att inte bearbeta jorden och odla täckgrödor men vi vet mycket mindre om effekter på specifika medlemmar i det mikrobiella samhället, säger Schmidt.

Till exempel, han påpekar att svampar är särskilt känsliga för den fysiska störning som jordbearbetningen medför, medan många bakterier inte påverkas lika mycket. För bakterierna, det som betydde mer var mat - om täckgrödan inte fanns. Det kan finnas avvägningar med olika metoder, vilket är en av många anledningar till att forskningen är så viktig.

Och ibland är forskningsresultaten oväntade. När Kelly Gravuer, sedan en doktorsexamen student i Scows laboratorium, gjorde en studie som lade fjäderfäkompost till tre olika typer av jord, hon var ganska säker på att den mikrobiella mångfalden i den näringsfattiga jorden skulle öka. Det gjorde det inte. Det gick ner

"Klart, vi har fortfarande mycket att lära oss om hur vi kan översätta kunskap från växt- och djurförsök till den mycket olika mikrobervärlden, säger Gravuer.

Lärdomar från avskogning och förnyelse i Amazonas

Jorge L. Mazza Rodrigues, en professor vid UC Davis Department of Land, Luft- och vattenresurser, har studerat effekten av avskogning i Amazonas regnskog sedan 2008.

Hans första projekt var i Rondônia, en stat nära den bolivianska gränsen och som skiljer sig från att ha den högsta avskogningstakten i Amazonas. Senare, Rodrigues lade till ett andra forskningsprojekt, i delstaten Pará, på norra sidan av Amazonas. "De har stora skillnader i hur mycket regn de får, säger Rodrigues.

Han är på norra halvklotet större delen av året, och detta kvartal undervisar han i ett seminarium om metoder inom mikrobiomforskning. Vi träffas på hans kontor i byggnaden för anläggnings- och miljövetenskap. Dussintals namnmärkesband från de olika konferenser han har deltagit dinglar från sitt klädhängare under cykelhjälmen.

Rodrigues studerar förändringarna i markmikrobiomen när primära skogar omvandlas till betesmark. "Det finns väldigt få primära skogar i USA. Så, Vi har arbetat med tropiska system i dessa dagar eftersom det är nästa gräns för jordbrukssystem. "

Ungefär 20 procent av Amazonas regnskog har tagits bort - omvandlats till betesmarker för att uppfostra boskap. Brasilien rankas bland världens fyra främsta exportörer av nötkött. Det faktum att USA har så få primära skogar är en anledning till att Rodrigues försöker undvika dom om avskogningen i Amazonas trots dess påverkan på miljön.

"Från min privilegierade position tänker jag inte säga till någon att inte göra vad USA gjorde." Han ser sin roll som att hjälpa till med deras beslut. "Vi kan hjälpa människor om vi säger" låt oss hjälpa dig att uppnå det du vill uppnå "."

För att omvandla orörd regnskog till betesmark, de gamla växterna tas bort och säljs, och sedan bränns allt kvar. Han säger att bränningen kan pågå i flera veckor.

Förändringarna i ekosystemets mångfald är uppenbara och dramatiska efter konverteringen. "Du har tagit bort alla växter och träd och sedan har du kanske ett gräs. Du går från ett stort antal djurarter till kanske en eller två arter - kor och väldigt få fåglar, säger Rodrigues.

Förändringar under ytan

Men det han är där för att studera är det som inte är så synligt:​​Han vill veta att det har hänt mikroorganismerna i jorden.

Han ger, som ett exempel, Acidobakterier. Acidobacteria är en stor, olika bakteriefyl. "Som namnet antyder, de gillar mer en sur miljö, lägre pH -jordar som de vi hittar i Amazonas skog, säger Rodrigues.

Men efter att skogen har brunnit, all aska befruktar jorden och ökar pH, gör det mer alkaliskt. "De där killarna gillar inte det, "säger han. Acidobakterierna som fanns i skogen finns inte i hagen." De är borta eftersom miljön har förändrats. "

Rodrigues har publicerat många studier om mikrobiomet. Man tittade på förlusten av svampdiversitet i Amazonas. En annan ny tidning tittade på kväve-metan-cykeln i Amazonas baserat på de mikrobiella samhällen som är associerade med den. I en annan, han arbetade med mikrobiomforskare från Kina, som genomgår samma typ av avskogning som händer i Amazonas.

Och han är också involverad i projekt närmare hemmet, inklusive ett projekt i Kalifornien med Kate Scow som mäter de mikrobiella utsläppshastigheterna för metan som släpps ut på gårdar med mjölkgödsel för kompost. "Det vi lärde oss att göra i Amazonas applicerar vi på mjölkgårdar i Kalifornien, säger Rodrigues.

Eftersom de ombyggda hagarna i Amazonas inte är befruktade, de hamnar med jord av dålig kvalitet och lämnas vanligtvis efter sju till tio år. Ett hoppfullt tecken han ser för miljöåterhämtning i Amazonas är vad som händer sedan.

"Om du fortfarande har skog kring denna betesmark, skogen kommer att börja kolonisera igen. Det börjar som en smutsig hage - några buskar, träd här och där - sedan tar det över igen. Det är inte lika vackert och stort som det primära på grund av trädens storlek - det tar 350 år för ett stort träd att växa - men det återgår till det systemet. Och vi har sett att de mikrobiella funktionerna också återkommer, säger Rodrigues.

Han påpekar att en sekundär skog växer och kan fånga mer kol än den primära skogen som hade varit i klimax kunde fånga.

"Så länge vi underhåller korridorer och underhåller primärskogsområdena, det kan bläddra i området igen. Djur kan röra sig in och ut. Vi kan behålla den biologiska mångfalden, och miljöstrukturen. "

Mikrobernas hållfasthet

När vi talar om mikrobernas förmåga att överleva i så olika miljöer, han beskriver hur han hade hjälpt en kollega att isolera mikrober som levt djupt under jorden i den frysta permafrosten i Sibirien. Bor i is.

"De levde, men de väntade bara på att få en viss mängd näringsämnen. ”Han beskriver hur en annan kollega isolerade livskraftiga mikrober från de frusna resterna av en mammut från förra istiden.” De vaknade till liv igen. De var fortfarande livskraftiga, säger Rodrigues.

"Det finns uppskattningar om att mikrober har varit här i 3,8 miljarder år på planeten. Planeten runt 4,8 miljarder år och de första indikationerna på mikrobiellt liv cirka 3,8 miljarder år, säger Rodrigues.

Rodrigues arbete med mikrober har gett honom enorm respekt för organismerna. "Jag beundrar dem." Han ler. "De där killarna kan överleva."