Gran parte del carbono de la tierra está atrapado en el suelo, y los científicos han asumido que los compuestos potenciales que calientan el clima permanecerían allí de manera segura durante siglos. Pero una nueva investigación de la Universidad de Princeton muestra que las moléculas de carbono pueden escapar del suelo mucho más rápido de lo que se pensaba. Los hallazgos sugieren un papel clave para algunos tipos de bacterias del suelo, que puede producir enzimas que descomponen grandes moléculas de carbono y permiten que el dióxido de carbono se escape al aire.

Se almacena más carbono en el suelo que en todas las plantas y la atmósfera del planeta combinadas, y el suelo absorbe aproximadamente el 20% de las emisiones de carbono generadas por el hombre. Todavía, Los factores que afectan el almacenamiento y la liberación de carbono del suelo han sido difíciles de estudiar. poner límites a la relevancia de los modelos de carbono del suelo para predecir el cambio climático. Los nuevos resultados ayudan a explicar la creciente evidencia de que las moléculas de carbono grandes pueden liberarse del suelo más rápidamente de lo que se supone en los modelos comunes.

"Proporcionamos una nueva perspectiva, cuál es el sorprendente papel de la biología y su relación con si el carbono permanece almacenado "en el suelo, dijo el coautor Howard Stone, el Profesor Donald R. Dixon '69 y Elizabeth W. Dixon de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial.

En un artículo publicado el 27 de enero en Comunicaciones de la naturaleza , los investigadores, dirigido por la ex becaria postdoctoral Judy Q. Yang, desarrolló experimentos de "suelo en un chip" para imitar las interacciones entre suelos, compuestos de carbono y bacterias del suelo. Usaron un sintético, arcilla transparente como sustituto de los componentes arcillosos del suelo, que desempeñan el papel más importante en la absorción de moléculas que contienen carbono.

El "chip" era un portaobjetos de microscopio modificado, o un dispositivo de microfluidos, que contiene canales con paredes de silicona de medio centímetro de largo y varias veces el ancho de un cabello humano (aproximadamente 400 micrómetros). Los tubos de entrada y salida en cada extremo de los canales permitieron a los investigadores inyectar la solución de arcilla sintética, seguido de suspensiones que contienen moléculas de carbono, bacterias o enzimas.

Después de cubrir los canales con la arcilla transparente, los investigadores agregaron moléculas de azúcar etiquetadas con fluorescencia para simular los nutrientes que contienen carbono que se escapan de las raíces de las plantas, particularmente durante las lluvias. Los experimentos permitieron a los investigadores observar directamente la ubicación de los compuestos de carbono dentro de la arcilla y sus movimientos en respuesta al flujo de fluidos en tiempo real.

Tanto las moléculas pequeñas como las grandes a base de azúcar se adhieren a la arcilla sintética a medida que fluyen a través del dispositivo. De acuerdo con los modelos actuales, las moléculas pequeñas se desprendieron fácilmente, mientras que los más grandes quedaron atrapados en la arcilla.

Cuando los investigadores agregaron Pseudomonas aeruginosa, una bacteria común del suelo, al dispositivo de tierra en un chip, las bacterias no pudieron alcanzar los nutrientes alojados dentro de los pequeños poros de la arcilla. Sin embargo, la enzima dextranasa, que representa las enzimas liberadas por ciertas bacterias del suelo, podría descomponer los nutrientes dentro de la arcilla sintética y hacer que las moléculas de azúcar más pequeñas estén disponibles para alimentar el metabolismo bacteriano. En el ambiente, esto podría dar lugar a grandes cantidades de CO ₂ para ser liberado del suelo a la atmósfera.

Los investigadores a menudo han asumido que los compuestos de carbono más grandes están protegidos contra la liberación una vez que se adhieren a las superficies de arcilla. resultando en almacenamiento de carbono a largo plazo. Algunos estudios de campo recientes han demostrado que estos compuestos pueden desprenderse de la arcilla, pero la razón de esto ha sido misteriosa, dijo el autor principal Yang, quien realizó la investigación como becario postdoctoral en Princeton y ahora es profesor asistente en la Universidad de Minnesota.

"Este es un fenómeno muy importante, porque sugiere que el carbono secuestrado en el suelo puede liberarse [y desempeñar un papel en] el cambio climático futuro, ", dijo Yang." Estamos proporcionando evidencia directa de cómo se puede liberar este carbono; descubrimos que las enzimas producidas por las bacterias juegan un papel importante, pero esto a menudo ha sido ignorado por los estudios de modelos climáticos "que asumen que la arcilla protege el carbono en los suelos durante miles de años".

El estudio surgió de las conversaciones entre Stone y el coautor Ian Bourg, un profesor asistente de ingeniería civil y ambiental y el Instituto Ambiental de High Meadows. El laboratorio de Stone ha utilizado dispositivos de microfluidos para estudiar las propiedades de las fibras sintéticas y las biopelículas bacterianas. mientras que Bourg tiene experiencia en la geoquímica superficial de los minerales arcillosos, que se cree que son los que más contribuyen al almacenamiento de carbono del suelo debido a su estructura de escala fina y cargas superficiales.

Piedra, Bourg y sus colegas se dieron cuenta de que era necesario probar experimentalmente algunas de las suposiciones en modelos de almacenamiento de carbono ampliamente utilizados. Yang se unió al grupo de Stone para dirigir la investigación. y también colaboró ​​con Xinning Zhang, profesor asistente de geociencias y del Instituto Ambiental High Meadows que investiga el metabolismo de las bacterias y sus interacciones con el medio ambiente del suelo.

Jinyun Tang, un científico investigador en el departamento de ciencias climáticas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, señaló que en los últimos años él y otros han observado la degradación de grandes moléculas de carbono en los suelos y plantearon la hipótesis de que estaba mediada por enzimas producidas biológicamente.

Las observaciones del equipo de Princeton "brindan un fuerte apoyo a nuestra hipótesis, "dijo Tang, que no participó en el estudio. Añadió que la técnica del estudio también podría usarse para explorar preguntas como:"¿La interacción reversible entre moléculas de carbono de tamaño pequeño y partículas de arcilla inducirá la falta de carbono a los microbios y contribuirá a la estabilización del carbono? ¿Y cómo estas interacciones ayudan a mantener la diversidad microbiana?" en el suelo? Es un comienzo muy emocionante ".

Los estudios futuros probarán si las bacterias en el sistema modelo pueden liberar sus propias enzimas para degradar grandes moléculas de carbono y usarlas como energía. liberando CO ₂ en el proceso.

Si bien la estabilización de carbono descrita por Tang es posible, el fenómeno recién descubierto también podría tener el efecto contrario, contribuir a un ciclo de retroalimentación positiva con el potencial de exacerbar el ritmo del cambio climático, dijeron los autores del estudio. Otros experimentos han mostrado un efecto "cebador", en el que el aumento de pequeñas moléculas de azúcar en el suelo conduce a la liberación de carbono del suelo, lo que a su vez puede hacer que las bacterias crezcan más rápidamente y liberen más enzimas para descomponer aún más moléculas de carbono más grandes, conduciendo a aumentos aún mayores en la actividad bacteriana.