Många komplexiteter i kolbindningsprocessen är fortfarande dåligt förstådda, trots år av forskning och den betydande inverkan denna process har på det globala klimatet.

Nu, tre forskare har föreslagit ett nytt tillvägagångssätt för att bättre förstå den roll som organiskt material i marken spelar vid långtidslagring av kol och dess svar på förändringar i det globala klimatet och atmosfärens kemi. Trion, inklusive Julie Jastrow från U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, publicerade sina idéer i augusti numret av Naturens mikrobiologi .

Artikeln kommer i en tid av ökande oro över det växande problemet med markförstöring, och det framväxande begreppet marksäkerhet (stabilisering och förbättring av världens markresurser).

"Mark är viktig för livet på jorden som vi känner den, sa Jastrow, en senior terrestrisk ekolog och gruppledare på Argonnes Environmental Science Division. "Jordar, och särskilt organiskt material i jorden, är nyckeln till många av de viktiga tjänster och funktioner som jordar tillhandahåller."

"Experter på organiskt material i marken trodde länge att rester av ruttnat växtmaterial var huvudkomponenterna i stabiliserat markkol, " sa Chao Liang från Institute of Applied Ecology vid den kinesiska vetenskapsakademin, huvudförfattare till artikeln Nature Microbiology och en tidigare postdoktor vid Argonne. "Men utvecklande analytiska tillvägagångssätt har fått forskare att skifta mot uppfattningen att död mikrobiell biomassa och andra mikrobiella rester kan bidra ännu mer signifikant till stabila kolpooler."

"Jag håller med Chao om att vi ser ett paradigmskifte. Vi kanske inte har verktygen eller data ännu för att helt stödja eller kvantifiera detta, men vårt tänkande utvecklas, sa Jastrow.

De idéer som presenteras i Naturens mikrobiologi artikeln finslipades när medförfattare, Joshua Schimel, en ledande jordmikrobiell ekolog från University of California, Santa Barbara, besökte Liangs laboratorium 2015. Liang bjöd senare in Jastrow för att hjälpa dem att förfina sina idéer ytterligare.

"De konceptuella ramarna och idéerna som beskrivs i den här artikeln kan ge oss ledtrådar om hur vi bättre kan stabilisera och förnya sårbara eller förstörda jordar, ", sa Liang. "Det ger också insikt om ursprunget till olika former av organiskt material i jorden."

"Denna nya insikt är avgörande för våra nationella och globala diskussioner om markens sårbarhet och hållbarheten hos mark för produktion av livsmedel och biobränsle, ekologisk hållbarhet, miljö- och klimatpolitik, " han sa.

I kolets kretslopp, kol rör sig bland växter, djur, jordar, jordskorpan, färskvatten, haven och atmosfären. Sekvestrerat kol är kol som lagras under lång tid. Jordens kol växer och avtar, beroende på balansen mellan tillförsel av nya organiska material och uttag. Förluster sker främst genom nedbrytning, men också genom urlakning till grundvatten eller yterosion.

Studier har länge fokuserat på hur växtskräp – mestadels döda löv, stammar och rötter — sönderdelas och omvandlas till organiskt material i jorden. Bidraget från den levande biomassan av mikrober till markens kol, som bara står för 1 till 5 procent av jordens totala kol, har fått mycket mindre uppmärksamhet, dock.

"När forskare jämförde mängden levande mikrobiell biomassa med den årliga tillförseln från växter, det verkade bara naturligt att tänka att huvuddelen av jordens organiska material måste komma från växtskräp, " konstaterade Jastrow.

Även om den levande biomassan av mikrober är liten, dessa organismer växer, leva och dö i snabb takt. Detta innebär att mikrobiell tillförsel till markens organiskt material kan vara mycket större än man tidigare trott, särskilt när en betydande del av dessa insatser stabiliseras snarare än sönderdelas. Men även med nya insikter och förbättringar av verktygen som används för att studera organiskt material i jorden, många frågor och okända kvarstår.

"Forskare har vetat i flera decennier att organiskt material i marken inkluderar mikrobiella rester, men de insåg den potentiella omfattningen av dessa bidrag på senare tid, " Sa Jastrow. Hon och hennes kollegor föreslår att två typer av mikrobiell metabolisk aktivitet i hög grad styr storleken på mikrobiella bidrag till bildning av organiskt material i marken.

Genom katabolisk aktivitet, mikrober bryter ner komplexa molekyler för att bilda enklare, som frigör kol som koldioxid. Genom anabol aktivitet, mikrober syntetiserar komplexa molekyler från enklare, som bidrar till kollagring.

Forskarna föreslår att man antar ett tillvägagångssätt baserat på ett koncept som kallas jordens mikrobiella kolpump för att stimulera fruktbar ny forskning inom detta område. Havsforskare tog först upp konceptet med mikrobiella kolpumpar. Den marina mikrobiella kolpumpen binder kol genom att överföra det djupt ner i haven. Genom denna process, bakterier bidrar väsentligt till långtidslagring av kol och reglering av atmosfärisk koldioxid.

"Att utnyttja det mikrobiella kolpumpskonceptet som har sitt ursprung i marin litteratur ger helt enkelt ett sätt att organisera och tänka på alla de olika komplexiteten som är förknippade med mikrobiell anabolisms roll i bildandet av organiskt material i jorden, sa Jastrow.

I deras papper, Jastrow och hennes kollegor kopplar den mikrobiella kolpumpen till förmågan hos mikrobiellt syntetiserade föreningar att stabiliseras av intima fysiska och kemiska associationer med jordmineraler. De kallar detta senare fenomen för "entombing-effekten". Jordens mikrobiella kolpump förstärker denna effekt, speciellt via omsättningsprocessen in vivo, hävdar forskarna. Med in vivo omsättning, mikroorganismer metaboliskt bearbetar växtmaterial för att generera biomassa. När dessa mikrober dör, deras rester är mer benägna att bli "begravda" än växtrester, förbättra poolen av ihållande kol i marken.

Samspelet mellan de katabola och anabola processerna spelar en nyckelfaktor för att luta balansen mellan entombing-effekten och dess baksida, primereffekten, som hjälper till att frigöra kol från stabilt organiskt material. När det är färskt, lättnedbrytbara rester kommer in i jorden, denna lättillgängliga energikälla kan "prima" mikrobernas kataboliska aktiviteter och stimulera nedbrytningen av mer komplexa och stabila pooler av organiskt material i jorden.

Således, tillägg av nya, externt producerat kol kan öka produktionen av koldioxid genom att förbereda mikrobiell nedbrytning av befintligt organiskt material i marken, och samtidigt kan det leda till större begravning av mikrobiella rester.

"Men, forskare kommer att behöva bättre analysverktyg för att mer exakt kvantifiera massan av dött mikrobiellt material och rester i jordar, och att förstå de faktorer som styr balansen mellan begravnings- och primereffekterna, " noterade Liang.

"Få data finns för närvarande som direkt informerar vår kvantifiering och förståelse av mekanismerna bakom konceptet med markmikrobiella kolpumpar, " han sa.

Även nu, många av de analysmetoder och instrument som ger nya insikter om organiskt material i marken är fortfarande otillräckliga.

"Ändå, de nya insikterna börjar förändra hur vi tänker om organiskt material i marken och dess bildning, försämring och dynamik, sa Jastrow.

"Genom att organisera dessa insikter kring konceptet med en markmikrobiell kolpump, " tillade Liang, "vi hoppas kunna inspirera till ny forskning som syftar till mikroorganismers roll i skapandet av organiskt material i marken och dess motståndskraft mot störningar eller förändrade miljöförhållanden."