Nästan en tredjedel av den koldioxid som släpps ut i atmosfären årligen kan spåras tillbaka till bakterier som lever i jorden, där de bryter ner växt- och djurmaterial för energi.

För de flesta jordmikrober, denna omvandling kräver syre. Men en ny studie visar att liten, Spridda populationer av bakterier som lever i marken är syresvältade och har en underskattad effekt på mängden av denna potenta växthusgas som släpps ut i luften.

Forskningen, publicerad fredag, 24 nov i journalen Naturkommunikation och leds av Stanfords Scott Fendorf och tidigare postdoc Marco Keiluweit, finner att dessa syrefria jordfickor är känsliga för störningar från klimatförändringar och vissa jordbruksmetoder. Forskarna sa att detta arbete kan hjälpa till att modellera framtida koldioxidutsläpp genom att ge bättre förutsägelser om hur mycket CO2 som kan frigöras från marken.

"Lyckligtvis, klimatmodellerarna går parallellt med oss, sa Fendorf, som är Huffington Family Professor i geovetenskaper vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskap. "De måste uppskatta detta och det är de."

Kolskydd

Jorden innehåller tre gånger mer kol än atmosfären. En del av det kolet förblir fångat under jorden genom kemiska reaktioner med mineraler. Dock, det mesta är i form av sönderfallande växt- och djurmaterial, vilka mikroorganismer bryter ner för att skapa energi och CO2 – motsvarigheten till vårt ätande och andas.

Denna nedbrytningsprocess kräver normalt syre, men i de små fickorna av jord som saknar syre, kallas anaeroba mikrositer, bakterier har utvecklats för att utvinna energi från organiskt material utan syre, om än mindre effektivt. Dessa syresvältade mikrober producerar betydligt mindre CO2 och kan inte heller bryta ner vissa kolrika biomolekyler som vaxer och lipider.

"Anaeroba mikrositer spelar en skyddande roll genom att de bevarar vissa organiska föreningar som är rikliga i jordar världen över, ökad kollagring och minskade CO2-utsläpp från mark, " sa Keiluweit, som nu är biträdande professor vid University of Massachusetts i Amherst.

Men även om forskare länge har känt till förekomsten av anaeroba mikrositer, deras förekomst och deras övergripande bidrag till den globala kolcykeln – utbytet av kol mellan jordens atmosfär, hav och landsystem – förstods inte väl och togs inte med i ekosystemmodeller som matas in i framtida klimatprognoser.

"Den allmänna uppfattningen har varit att livsmiljöer som är helt under vattnet som våtmarker och träsk är anaeroba, och det oförsvämmade, eller högland, jordar är mestadels aerobiska, "Fendorf sa. "Vad vi visar i den här studien är att det faktiskt finns en mycket betydande volym av höglandsjord som sitter i anaeroba miljöer."

Mikrosajter i labbet

I den nya studien, Keiluweit och hans kollegor skapade anaeroba mikrositer i labbet genom att noggrant manipulera flödet av syre till jordprover och mätte sedan deras CO2-utsläpp samt deras lipid- och vaxkoncentrationer.

Vad de fann var att när syre blev ont om, markmikroberna skiftade från aerob till allt mindre effektiv anaerob andning. Som ett resultat, färre kolrika lipid- och vaxmolekyler bröts ner och CO2-produktionen sjönk med en faktor 10.

Som en verklig kontroll av deras resultat, forskarna undersökte också jord från jordbruksfält i Oregon. Både labb- och fältresultaten visade anmärkningsvärt konsekventa trender, indikerar att, i motsats till konventionell visdom, bergsjordar innehåller faktiskt stora volymer av anaeroba mikrositer som skyddar specifika typer av kolmolekyler.

"Baserat på våra labbresultat, vi förväntar oss att jordar rika på anaeroba mikrositer skulle ha massor av lipider och vaxer över, och det är vad vi hittade på fälten, " sa Keiluweit.

Känslig för störningar

De nya rönen belyser de många sätt som klimatförändringar och vissa jordbruksmetoder kan förändra dessa mikroplatser och förändra mängden CO2 som frigörs från jorden.

Värmande jord, till exempel, kommer sannolikt att öka mängden CO2 som släpps ut i atmosfären. "Precis som med oss, när du värmer mikrober, du ökar deras metaboliska aktivitet, " sa Fendorf. I jordområden med syre, de boende bakterierna kommer att förbruka mer av det rikliga syret och producera CO2 snabbare och mer effektivt.

Klimatförändringarna förväntas göra vissa regioner blötare och andra torrare när vädermönster förändras. Dessa två trender har olika inverkan på markmikrober. Områden som får mer regn – eller mer bevattning genom jordbruk – kommer att innehålla mindre syre och därför troligen producera mindre CO2.

Torrare jord har i allmänhet mer syre och mikroberna den innehåller kommer att producera mer CO2. Dock, under mycket torra förhållanden sjunker produktiviteten för både aeroba och anaeroba mikrober eftersom vatten är nödvändigt för livet.

"Förändringar i markfuktigheten till följd av bevattning eller från klimatmönster kommer därför att förändra fördelningen av mikrobiella metabolismer och hastigheten för CO2-produktion, sa Fendorf.

Dessutom, frekvent lossning, eller jordbearbetning, av jordar luftar jorden, att göra anaeroba mikrositer aeroba och öka utsläppet av CO2. "Våra resultat visar på fördelarna med metoder för låg jord och andra metoder för markanvändning som begränsar ökad markluftning, sa Fendorf.