Kate Scow, un professore di scienze del suolo ed ecologia microbica del suolo alla UC Davis, tiene i sacchetti di plastica pieni di terra sulla sua scrivania.

Ci incontriamo nel suo ufficio nello stabilimento e nell'edificio di scienze ambientali del campus, non al Russell Ranch, dove è la direttrice dell'esclusivo centro di ricerca di 300 acri dell'università che studia gli impatti a lungo termine delle pratiche di gestione e del clima sulla sostenibilità agricola. La California è finalmente di nuovo piovosa. "I nostri terreni sono fradici ed è un po' difficile muoversi lì in questo momento, "dice Scow.

Uno dei sacchetti è riempito con terra friabile marrone chiaro che si tiene insieme in piccoli grumi. Viene da un campo di pomodori a gestione biologica. Un'altra borsa contiene un quasi solido, blocco grigio di terra, come un mattone di cemento.

"È perché è stato arato quando era bagnato. La struttura è completamente rotta". Prende la borsa e la solleva. "Ma potresti essere sorpreso che anche questo masso contenga alcuni microrganismi. Sono ovunque."

L'ecologia microbica è una delle principali aree di ricerca di Scow. Quello che sta cercando di capire è come possiamo riorientare le pratiche agricole "sottoterra" e potenziare l'attività dei microrganismi benefici. Solo alcuni dei suoi recenti progetti di ricerca includono l'esame della sensibilità di batteri e funghi alla lavorazione del terreno e alle colture di copertura, e gli impatti dei fertilizzanti minerali sui sistemi agricoli gestiti e non gestiti.

Anche se i microbi nel suolo sono essenziali per la vita sulla terra, gli scienziati ammettono prontamente di sapere ancora relativamente poco su di loro. Quello che sanno è che sono molto, molto abbondante e molto, molto vario.

"Un grammo di terreno - circa un quarto di cucchiaino - può facilmente contenere un miliardo di cellule batteriche e diverse miglia di filamenti fungini, "dice Scow.

E quanti diversi tipi di organismi potrebbero esserci nel terreno? "Il suolo è straordinariamente vario, con una stima di 10, 000 a 50, 000 diversi taxa in un cucchiaino di terra. Questi numeri sono difficili da indovinare e continuano a essere adeguati man mano che apprendiamo di più sul microbioma del suolo attraverso gli sforzi di sequenziamento, "dice Scow, riferimento al sequenziamento genomico, che identifica gli organismi in base ai loro tratti genetici unici.

Un ecosistema vivente

A differenza di Scow, quando la maggior parte di noi guida in un campo agricolo appena arato, vediamo sporcizia. Potremmo immaginare la presenza di alcuni bug, forse vermi, ma in sostanza, la maggior parte di noi vede il suolo come un substrato inanimato in cui crescono le piante.

Ma il suolo è in realtà un essere vivente, un ecosistema diversificato che è uno dei più complessi del pianeta. Ed è essenziale per la vita umana attraverso tutte le funzioni che fornisce:produzione di cibo, purificazione dell'acqua, riduzione dei gas serra, e bonifica dall'inquinamento, per dirne alcuni.

"Molti processi che sono davvero importanti nel suolo, come la decomposizione di materiale organico, va nella costruzione della struttura del suolo - gli aggregati - che sono le unità strutturali del suolo, " dice Scow. "Questi aggregati determinano quanto bene l'acqua drena quando piove, quanto bene viene trattenuto quando si asciuga. E lo scambio di gas, come la capacità di portare ossigeno alle radici delle piante, è determinato dalla struttura del suolo".

Quello che vedi quando giri una palata di terreno sano non è solo un caso. "I microbi sono gli architetti che costruiscono quella struttura, " dice Scow. E sottolinea che il modo in cui gestiamo i terreni della nostra azienda agricola può determinare se aiutiamo o intralciamo questi microscopici ingegneri strutturali.

Suoli sani potrebbero aiutare a mitigare il cambiamento climatico

I microbi intestinali hanno ricevuto molta attenzione negli ultimi anni mentre i ricercatori continuano a sbloccare la complessa relazione tra la salute umana e ciò che vive nel nostro intestino.

Per gli esseri umani ci sono utili prebiotici e probiotici. Si scopre che i batteri Lactobacillus bulgaricus e Streptococcus thermophiles nello yogurt sono buoni per noi. Ma esistono "batteri buoni" simili per piante e terreni?

chiedo a Radomir Schmidt, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Kate Scow, quella domanda. Lui ride. "Questa è la domanda da un milione di dollari. Sappiamo che ci sono molti microbi del suolo ma non sappiamo cosa fanno molti di loro. Non ancora, comunque."

Spiega che ci sono microbi utili nel suolo, ma che i ricercatori non sanno ancora come le interazioni tra i microbi del suolo portino a diversi risultati pratici.

I microbi hanno funzioni incredibilmente diverse nel suolo. Esistono microbi nitrificanti che convertono l'ammonio in nitrito, e poi nitrato. Ci sono microbi che possono metabolizzare fertilizzanti e pesticidi e persino inquinanti. Ma anche se le proprietà di alcuni microbi del suolo sono note, c'è ancora molto da imparare, come l'importanza del lavoro di squadra tra i diversi organismi nella fornitura di questi servizi.

Sequestro del carbonio nel suolo

Avevo incontrato Schmidt quando stava partecipando a un seminario sul microbioma nel campus sponsorizzato dall'Ufficio di ricerca per aiutare i ricercatori della UC Davis a fare rete su possibili progetti interdisciplinari sul microbioma. Era lì per fare brainstorming su progetti come il sequestro del carbonio.

Il suolo è diventato un punto focale per cercare modi per mitigare il cambiamento climatico. Un suolo sano è più resistente in un ambiente che cambia. Nutre anche le piante, che consente alle piante di rimuovere l'anidride carbonica, un gas serra, dall'atmosfera.

E il suolo stesso è anche un enorme deposito di carbonio:ospita i composti di carbonio di piante e animali in decomposizione, così come tutto ciò che vive nel suolo, dai microbi ai vermi alle radici degli alberi. E il carbonio è essenziale affinché i microbi del suolo possano prosperare.

La ricerca ha dimostrato che le modifiche alle pratiche agricole potrebbero aumentare il carbonio immagazzinato nel suolo. Uno studio di 20 anni al Russell Ranch ha scoperto che l'aggiunta di compost e colture di copertura ai campi che coltivavano pomodori in rotazione con mais ha aumentato la quantità di carbonio nel suolo del 37%.

Kate Scow ha anche preso parte a un progetto a lungo termine guidato da Jeff Mitchell, uno specialista dell'estensione della cooperativa per l'agricoltura e le risorse naturali dell'Università della California, che ha esaminato l'impatto dell'agricoltura conservativa sulla quantità di carbonio nel suolo. Lo studio di otto anni nella valle di San Joaquin ha scoperto che le pratiche di agricoltura conservativa potrebbero aumentare la quantità di carbonio sequestrato nel suolo di circa il 45 percento.

Lo stato della California è così interessato al potenziale del suolo per mitigare i cambiamenti climatici che il Dipartimento per l'alimentazione e l'agricoltura della California ha stanziato $ 7,5 milioni per la Healthy Soils Initiative, che ha l'obiettivo di costruire carbonio nel suolo e ridurre i gas serra agricoli.

Gli studi esplorano l'impatto delle tecniche agricole sui microbi

Il dottorato di Schmidt è nella genetica batterica. Ha iniziato nel laboratorio di Scow facendo il sequenziamento genetico e gradualmente è passato a lavorare più direttamente con l'agricoltura. Gli piace uscire dal laboratorio. "Il progetto principale su cui sto lavorando in questo momento sono gli effetti dell'agricoltura senza aratura e delle colture di copertura sul microbioma. Conosciamo abbastanza bene gli effetti generali della non lavorazione del suolo e della coltivazione di colture di copertura, ma sappiamo molto meno sugli effetti su specifici membri della comunità microbica, "dice Schmidt.

Per esempio, fa notare che i funghi sono particolarmente sensibili al disturbo fisico provocato dalla lavorazione del terreno, mentre molti batteri non sono così colpiti. Per i batteri, quello che contava di più era il cibo, non c'era il raccolto di copertura. Ci possono essere compromessi con le diverse pratiche, che è uno dei tanti motivi per cui la ricerca è così importante.

E a volte i risultati della ricerca sono inaspettati. Quando Kelly Gravuer, poi un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Scow, ha fatto uno studio aggiungendo compost di pollame a tre diversi tipi di terreno, era abbastanza sicura che la diversità microbica nel terreno povero di nutrienti sarebbe aumentata. Io non l'ho fatto. È andato giù

"Chiaramente, abbiamo ancora molto da imparare su come tradurre le conoscenze acquisite dagli esperimenti su piante e animali nel mondo molto diverso dei microbi, "dice Gravuer.

Lezioni dalla deforestazione e dalla rigenerazione in Amazzonia

Jorge L. Mazza Rodrigues, un professore del Dipartimento del Territorio della UC Davis, Risorse dell'aria e dell'acqua, studia l'impatto della deforestazione nella foresta pluviale amazzonica dal 2008.

Il suo primo progetto è stato a Rondônia, uno stato vicino al confine boliviano e con la particolarità di avere il più alto tasso di deforestazione in Amazzonia. Dopo, Rodrigues ha aggiunto un secondo progetto di ricerca, nello stato del Pará, sul versante settentrionale dell'Amazzonia. "Hanno grandi differenze nella quantità di pioggia che ricevono, "dice Rodrigues.

È nell'emisfero settentrionale la maggior parte dell'anno, e questo trimestre tiene un seminario sui metodi nella ricerca sul microbioma. Ci incontriamo nel suo ufficio nell'edificio delle scienze vegetali e ambientali. Dozzine di cordini per badge con i nomi delle varie conferenze a cui ha partecipato penzolano dall'attaccapanni sotto il casco da bicicletta.

Rodrigues studia i cambiamenti nel microbioma del suolo quando le foreste primarie vengono convertite in pascolo. "Ci sono pochissime foreste primarie negli Stati Uniti. Quindi, abbiamo lavorato con i sistemi tropicali in questi giorni perché questa è la prossima frontiera nei sistemi agricoli".

Circa il 20% della foresta pluviale amazzonica è stata rimossa, convertita in pascoli per allevare bestiame. Il Brasile è tra i primi quattro esportatori mondiali di carne bovina. Il fatto che gli Stati Uniti abbiano così poche foreste primarie è uno dei motivi per cui Rodrigues cerca di evitare il giudizio sulla deforestazione in Amazzonia nonostante il suo impatto sull'ambiente.

"Dalla mia posizione privilegiata non dirò a nessuno di non fare ciò che hanno fatto gli Stati Uniti". Vede il suo ruolo come assistere con le loro decisioni. "Potremmo aiutare le persone se diciamo 'ti aiutiamo a raggiungere ciò che vuoi ottenere'".

Per convertire la foresta pluviale incontaminata in pascolo, gli alberi secolari vengono rimossi e venduti, e poi tutto quello che rimane viene bruciato. Dice che il rogo può andare avanti per settimane.

I cambiamenti nella diversità dell'ecosistema sono evidenti e drammatici dopo la conversione. "Hai rimosso tutte le piante e gli alberi e poi hai forse un'erba. Passi da un gran numero di specie animali a forse una o due specie:mucche e pochissimi uccelli, "dice Rodrigues.

Cambiamenti sotto la superficie

Ma quello che è lì per studiare è ciò che non è così visibile:vuole sapere che è successo ai microrganismi nel suolo.

Egli dà, come esempio, Acidobatteri. Gli acidobatteri sono un grande, diversi phylum di batteri. "Come suggerisce il nome, a loro piace più un ambiente acido, suoli a pH più basso come quelli che troviamo nella foresta amazzonica, "dice Rodrigues.

Ma dopo che la foresta è stata bruciata, tutte le ceneri fertilizzano il terreno e aumentano il pH, rendendolo più alcalino. "A quei ragazzi non piace, " dice. Gli acidobatteri che erano stati nella foresta non si trovano nel pascolo. "Se ne sono andati perché l'ambiente è cambiato".

Rodrigues ha pubblicato numerosi studi sul microbioma. Uno ha esaminato la perdita di diversità fungina in Amazzonia. Un altro documento recente ha esaminato il ciclo azoto-metano in Amazzonia in base alle comunità microbiche ad esso associate. In un altro, ha lavorato con ricercatori di microbioma dalla Cina, che sta attraversando lo stesso tipo di deforestazione che sta accadendo in Amazzonia.

Ed è anche coinvolto in progetti più vicini a casa, compreso un progetto in California con Kate Scow che misura i tassi di emissione microbica del metano che vengono rilasciati nelle fattorie che utilizzano letame da latte per il compost. "Ciò che abbiamo imparato a fare in Amazzonia, lo stiamo applicando agli allevamenti lattiero-caseari della California, "dice Rodrigues.

Perché i pascoli convertiti in Amazzonia non sono fertilizzati, finiscono con un terreno di scarsa qualità e di solito vengono abbandonati dopo sette o dieci anni. Un segno di speranza che vede per il recupero ambientale in Amazzonia è ciò che accadrà dopo.

"Se hai ancora una foresta intorno a questo pascolo, la foresta ricomincerà a colonizzare. Inizia come un pascolo sporco, alcuni cespugli, alberi qua e là, poi riprende il sopravvento. Non è bello e grande come il primario a causa delle dimensioni degli alberi - ci vogliono 350 anni per far crescere un grande albero - ma sta tornando a quel sistema. E abbiamo visto che ritornano anche le funzioni microbiche, "dice Rodrigues.

Sottolinea che una foresta secondaria sta crescendo e può catturare più carbonio di quanto sia stata in grado di catturare la foresta primaria che era in culmine.

"Finché manteniamo i corridoi e manteniamo le aree di foresta primaria, può riseminare quell'area. Gli animali possono entrare e uscire. Possiamo mantenere la biodiversità, e la struttura dell'ambiente”.

La tenacia dei microbi

Quando si parla della capacità dei microbi di sopravvivere in ambienti così diversi, descrive come aveva aiutato un collega a isolare i microbi che vivevano in profondità nel sottosuolo nel permafrost ghiacciato in Siberia. Vivere nel ghiaccio.

"Erano vivi, ma stavano solo aspettando di ottenere una certa quantità di sostanze nutritive." Descrive come un altro collega ha isolato microbi vitali dai resti congelati di un mammut dall'ultima era glaciale. "Sono tornati in vita. erano ancora vitali, "dice Rodrigues.

"Si stima che i microbi siano qui da 3,8 miliardi di anni sul pianeta. Il pianeta circa 4,8 miliardi di anni e le prime indicazioni di vita microbica intorno a 3,8 miliardi di anni, "dice Rodrigues.

Il lavoro di Rodrigues con i microbi gli ha conferito un enorme rispetto per gli organismi. "Li ammiro." Lui sorride. "Quei ragazzi possono sopravvivere."