Jordarna och sedimenten under våra fötter kan innehålla en häpnadsväckande mängd kol – mer än i alla världens växter och atmosfären tillsammans – och representerar en betydande potentiell källa till växthusgasen koldioxid.

I en ny studie, Stanford-forskare har upptäckt en tidigare okänd mekanism som förklarar varför mikrober ibland misslyckas med att bryta ner all växt- och djurmateria, lämnar kol under fötterna. Förstå var, och hur länge, detta begravda organiska material dröjer sig kvar är avgörande för att forskare och beslutsfattare bättre ska kunna förutsäga och reagera på klimatförändringarna.

"Vår bild av hur organiskt material bryts ner i jordar och sediment är ofullständig, " sa studiens huvudförfattare Kristin Boye, en associerad stabsforskare vid Stanford Synchrotron Radiation Lightsource vid SLAC National Accelerator Laboratory och tidigare postdoktor vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskap. "Med denna studie, vi får nya insikter om mekanismerna för kolkonservering i underjordiska miljöer med låg eller ingen syrehalt."

På syresvälta platser som kärr och översvämningsslätter, mikroorganismer bryter inte ner allt tillgängligt organiskt material i lika hög grad, visar studien. Istället, kolföreningar som inte ger tillräckligt med energi för att det ska vara värt besväret för mikroorganismer att brytas ned hamnar i ackumulering. Detta passerade kol, dock, förblir inte nödvändigtvis inlåst under marken i längden. Att vara vattenlöslig, kolet kan sippra in i närliggande syrerika vattendrag, där mikrober lätt konsumerar det.

Hittills, modeller av lokala ekosystem och bredare klimatförändringar har misslyckats med att ta hänsyn till denna nyfunna kolkonserveringsmekanism, har främst fokuserat på mikrobiella enzymer och tillgången på andra element för nedbrytning av organiskt material.

"Jordar och sediment är en enorm och dynamisk reservoar av kol, " sade seniorförfattaren Scott Fendorf, en professor i jordbiogeokemi vid Stanford Earth. "Det är därför vi oroar oss för omsättningstider här med hänsyn till hur snabbt organiskt kol bryts ned och släpps ut som koldioxid i atmosfären."

Spåra kolets öde

För den nya studien, publiceras idag i Naturgeovetenskap , forskargruppen samlade in kärnprover av nedgrävda sediment från fyra översvämningsslätter i övre Coloradoflodbassängen i delstaterna Colorado och New Mexico.

Den cirka 3 fot långa, kolonnformade prover gick tillräckligt djupt för att nå syre-svältade lager där mikrober måste byta från att göra den mikrobiella motsvarigheten till att andas syre till att andas svavel. I vilket fall, mikroberna kombinerar syre eller svavel med kolbaserad mat för att producera energi och släpper ut antingen koldioxid eller svaveldioxid i atmosfären. (Att svaveldioxid är ansvarig för den distinkta lukten av syrefattiga våtmarker.)

För att identifiera var i sedimentproverna mikrober hade gjort bytet, forskarna vände sig till Stanford Synchrotron Radiation Lightsource-anläggningen. Synkrotronmaskinen genererar extremt starkt röntgenljus som, när det lyste på proverna, genererar en signal som avslöjar svavlets kemi. Närvaron av sulfidmineraler indikerar var mikroberna började använda svavel tillsammans med kol för att driva sitt biokemiska maskineri.

Frågan var om övergången till svavel påverkade de kolkällor mikroberna åt eller lämnade efter sig. Att få reda på, forskarna förlitade sig på unik instrumentering och samarbeten inom Environmental Molecular Sciences Laboratory vid Pacific Northwest National Laboratory i Richmond, Washington. Med hjälp av en mycket stark magnet, ett instrument som kallas en masspektrometer vid labbet karakteriserade det vattenlösliga organiska materialet. Testerna visade att, i motsats till de lager där syre var tillgängligt, överblivna kolföreningar i sedimentproverna där svavel hade använts för andning var mest av det slag som kräver mer energi för att brytas ned än vad som skulle frigöras genom själva nedbrytningen. Till ingen nytta, sedan, till växande mikrober, dessa kolföreningar hade stannat kvar i de djupare sedimentlagren.

Finslipa modeller av kolets kretslopp

översvämningsslätter, som de som provades i studien, rankas bland de vanligaste områdena globalt för internering av växt- och djurmaterial av vattenburna sediment. De syrefattiga förhållanden som skapas under jorden där är kända för att binda kol, men som studien antyder, dels av skäl som tidigare inte erkändes och med oförutsedda konsekvenser. För sådana översvämningsbenägna, låglänta områden ligger per definition nära vattendrag. Löslig, oanvänt organiskt material kan migrera ganska lätt in i en luftad vattenväg för efterföljande nedbrytning, utlöser algblomning och andra vattenkvalitetsproblem samtidigt som det leder till koldioxidproduktion.

Modeller av hur levande organismer, marken, Vattenförekomster och atmosfären återvinner kol kommer i allt högre grad att behöva införliva nyckelnyanser, som bevarandemekanismen som beskrivs i den nya Stanford-studien, för att informera forskarnas förståelse och beslutsfattares beslut.

"Att få rätt begränsningar för vad som verkligen styr processerna för kolnedbrytning är viktigt, " sa Fendorf. "Det är vad vår studie hjälper till att belysa."