Почвы по всему миру содержат в три раза больше углерода, чем его существует в атмосфере и во всех растениях вместе взятых. Это означает, что понимание того, как почвенные микробы перерабатывают органические материалы — иногда возвращая CO₂ в атмосферу, иногда минерализуя его для долгосрочного хранения — может иметь решающее значение в борьбе с изменением климата.
Новое исследование Корнелла показало, что молекулярное разнообразие в почве меняется по мере разложения микробами мёртвых растений. Молекулярное разнообразие растёт в течение первого месяца, затем стабилизируется и после этого снижается. Результаты исследования опубликованы 10 декабря в журнале Nature Communications.
«Это чрезвычайно важный вопрос: можем ли мы сократить потери углерода из почвы или даже увеличить запасы почвенного углерода, что поможет регулировать CO₂ в атмосфере?» — сказал Йоханнес Леманн, старший автор статьи и профессор почвоведения и растениеводства в Колледже сельского хозяйства и наук о жизни. «Поскольку в почвах содержится так много органического углерода, даже небольшие постепенные изменения могут иметь большое значение для атмосферы и, следовательно, для изменения климата».
Первый автор — Рэчелль Давенпорт, доктор философии 2024 года, бывшая аспирантка в лаборатории Леманна, а ныне независимый консультант-исследователь. Всего в исследовании участвовали 11 соавторов из семи учреждений в шести штатах США и в Нидерландах.
На протяжении десятилетий учёные полагали, что накопление почвенного органического углерода происходит из-за устойчивости растительных материалов. Но в 2011 году Леманн и несколько соавторов в широко цитируемой статье в Nature сообщили, что это не так. Почвенный органический углерод является результатом сложных взаимодействий в экосистеме, в том числе с почвенными микроорганизмами, молекулами и минералами. Авторы призвали к «новому поколению экспериментов», чтобы выявить механизмы, которые приводят к накоплению или высвобождению углерода в почвах, и как эти механизмы можно использовать для борьбы с изменением климата.
В 2020 году Леманн и соавторы предложили революционную теорию: большее молекулярное разнообразие в почвах может ограничивать разложение, что приводит к удержанию большего количества углерода в почвах. Идея заключается в том, что при низком молекулярном разнообразии почвенные микробы, разлагающие растительные материалы, могут легче специализироваться, потреблять больше и затем выделять больше CO₂. При высоком разнообразии микроорганизмам сложнее быстро потреблять материалы, что даёт минералам больше шансов улавливать и хранить углерод в долгосрочной перспективе.
Текущая статья — первая, в которой представлены эмпирические доказательства того, что разложение растений действительно увеличивает молекулярное разнообразие в почвах, но только на короткий период, с пиком разнообразия на 32-й день.
«Это заняло много времени, с 2011 года, и потребовало серии статей и экспериментов, но теперь у нас есть эмпирические доказательства того, что разложение растений действительно увеличивает молекулярное разнообразие, хотя бы на короткое время», — сказал Леманн, который также является научным сотрудником Корнелла Аткинсона. «Нам ещё многое предстоит узнать, но это одна важная часть большой головоломки».
Статья также впервые использует «тяжёлую воду с кислородом-18» — воду, в которой атом кислорода помечен изотопом кислород-18 — для отслеживания изменений в молекулярном составе почвы из-за микробной активности, сказала Давенпорт. Тяжёлая вода традиционно используется микробиологами, а почвоведы обычно используют меченый углерод или азот для отслеживания динамики почвенных экосистем.
«Когда вы отслеживаете активность через углерод, вы обычно кормите микробы глюкозой — чистым сахаром — так что, когда вы кормите микробы сахаром вместо того, чтобы позволить им использовать их естественные источники пищи, это влияет на их метаболизм, и тогда вы на самом деле неточно измеряете микробную активность, то, что они обычно потребляют и производят», — сказала Давенпорт. «Я думаю, что этот метод был большим успехом».
Дальнейшие шаги в исследовании включают расширение для определения того, приводит ли большее разнообразие молекул, микроорганизмов и минералов в почве к большему накоплению углерода в почвах. И если да, то разработка стратегий поддержки этого разнообразия, например, путём внедрения методов ведения сельского хозяйства и управления лесными угодьями, сказал Леманн.
Предоставлено Корнельским университетом.