Mycket av jordens kol är fångat i jorden, och forskare har antagit att potentiella klimatuppvärmande föreningar säkert skulle stanna där i århundraden. Men ny forskning från Princeton University visar att kolmolekyler potentiellt kan fly jorden mycket snabbare än man tidigare trott. Fynden tyder på en nyckelroll för vissa typer av markbakterier, som kan producera enzymer som bryter ner stora kolbaserade molekyler och låter koldioxid släppa ut i luften.

Mer kol lagras i jorden än i alla planetens växter och atmosfär tillsammans, och mark absorberar cirka 20% av människans genererade koldioxidutsläpp. Än, faktorer som påverkar kollagring och utsläpp från mark har varit utmanande att studera, sätta gränser för relevansen av jordens koldioxidmodeller för att förutsäga klimatförändringar. De nya resultaten hjälper till att förklara växande bevis på att stora kolmolekyler kan frigöras från jorden snabbare än vad som antas i vanliga modeller.

"Vi gav en ny insikt, vilket är biologins överraskande roll och dess koppling till huruvida kol förblir lagrat "i marken, sa medförfattaren Howard Stone, Donald R. Dixon '69 och Elizabeth W. Dixon professor i mekanisk och rymdteknik.

I ett papper publicerat 27 januari Naturkommunikation , forskarna, ledd av tidigare postdoktor Judy Q. Yang, utvecklat "jord på ett chip" -experiment för att efterlikna växelverkan mellan jordar, kolföreningar och jordbakterier. De använde en syntetisk, transparent lera som en stand-in för lerkomponenter av jord, som spelar den största rollen för att absorbera kolhaltiga molekyler.

"Chippet" var ett modifierat mikroskopglas, eller en mikrofluidisk anordning, som innehåller silikonväggiga kanaler som är en halv centimeter långa och flera gånger bredden på ett människohår (cirka 400 mikrometer). Inlopps- och utloppsrör i varje ände av kanalerna tillät forskarna att injicera den syntetiska lerlösningen, följt av suspensioner som innehåller kolmolekyler, bakterier eller enzymer.

Efter beläggning av kanalerna med den genomskinliga leran, forskarna lade till fluorescerande märkta sockermolekyler för att simulera kolhaltiga näringsämnen som läcker från växternas rötter, särskilt under nederbörd. Experimenten gjorde det möjligt för forskarna att direkt observera kolföreningarnas platser i leran och deras rörelser som svar på vätskeflöde i realtid.

Både små och stora sockerbaserade molekyler fastnade för den syntetiska leran när de flödade genom enheten. I överensstämmelse med nuvarande modeller, små molekyler lossnade lätt, medan större förblev instängda i leran.

När forskarna lade till Pseudomonas aeruginosa, en vanlig jordbakterie, till jord-på-en-chip-enheten, bakterierna kunde inte nå näringsämnena i lerans små porer. Dock, enzymet dextranas, som representerar enzymer som frigörs av vissa markbakterier, kan bryta ner näringsämnena i syntetlera och göra mindre sockermolekyler tillgängliga för att driva bakteriell metabolism. I miljön, detta kan leda till stora mängder koldioxid ₂ att släppas ut från jorden i atmosfären.

Forskare har ofta antagit att större kolföreningar skyddas från utsläpp när de fastnar på lerytor, vilket resulterar i långsiktig kollagring. Några färska fältstudier har visat att dessa föreningar kan lossna från lera, men anledningen till detta har varit mystisk, sa huvudförfattaren Yang, som genomförde forskningen som postdoktor vid Princeton och är nu biträdande professor vid University of Minnesota.

"Detta är ett mycket viktigt fenomen, eftersom det tyder på att kolet som avsöndras i jorden kan frigöras [och spela en roll i] framtida klimatförändringar, "sa Yang." Vi tillhandahåller direkta bevis på hur detta kol kan frigöras - vi fick reda på att de enzymer som produceras av bakterier spelar en viktig roll, men detta har ofta ignorerats av klimatmodelleringsstudier "som antar att lera skyddar kol i jordar i tusentals år.

Studien kom från samtal mellan Stone och medförfattaren Ian Bourg, en biträdande professor i civil- och miljöteknik och High Meadows Environmental Institute. Stone's lab har använt mikrofluidiska enheter för att studera egenskaperna hos syntetiska fibrer och bakteriella biofilmer, medan Bourg har expertis i ytgeokemi av lermineraler-som man tror bidrar mest till kollagring i jorden på grund av sin finskaliga struktur och ytladdningar.

Sten, Bourg och deras kollegor insåg att det fanns ett behov av att experimentera testa några av antagandena i flitigt använda modeller av kollagring. Yang gick med i Stones grupp för att leda forskningen, och samarbetade också med Xinning Zhang, en biträdande professor i geovetenskap och High Meadows Environmental Institute som undersöker metabolismen av bakterier och deras interaktioner med markmiljön.

Jinyun Tang, en forskare vid avdelningen för klimatvetenskap vid Lawrence Berkeley National Laboratory, noterade att han och andra under de senaste åren har observerat nedbrytningen av stora kolmolekyler i jordar och antagit att det medierades av biologiskt producerade enzymer.

Princeton -teamets observationer "ger ett mycket starkt stöd för vår hypotes, "sa Tang, som inte var inblandad i studien. Han tillade att studiens teknik också kan användas för att utforska frågor som "Kommer den reversibla interaktionen mellan små kolmolekyler och lerpartiklar att orsaka kolsvält till mikroberna och bidra till koldioxidstabilisering? Och hur hjälper sådana interaktioner att upprätthålla mikrobiell mångfald? i jord? Det är en mycket spännande start. "

Framtida studier kommer att testa om bakterier i modellsystemet kan frigöra sina egna enzymer för att bryta ned stora kolmolekyler och använda dem för energi, släpper ut CO ₂ i processen.

Medan den koldioxidstabilisering Tang som beskrivs är möjlig, det nyupptäckta fenomenet kan också ha motsatt effekt, bidra till en positiv återkopplingsslinga med potential att förvärra takten i klimatförändringen, sa studiens författare. Andra experiment har visat en "priming" -effekt, där ökningar av små sockermolekyler i mark leder till utsläpp av markkol, vilket kan leda till att bakterier växer snabbare och släpper ut fler enzymer för att ytterligare bryta ner större kolmolekyler, vilket leder till ytterligare ökningar av bakteriell aktivitet.