I suoli e i sedimenti sotto i nostri piedi possono contenere una quantità sorprendente di carbonio, più che in tutte le piante del mondo e nell'atmosfera messe insieme, e rappresentano una fonte potenziale significativa di anidride carbonica, gas serra.

In un nuovo studio, Gli scienziati di Stanford hanno scoperto un meccanismo precedentemente sconosciuto che spiega perché i microbi a volte non riescono ad abbattere tutta la materia vegetale e animale, lasciando il carbonio sotto i piedi. Capire dove, e quanto tempo, questa sostanza organica sepolta è fondamentale per gli scienziati e i responsabili delle politiche per prevedere e rispondere meglio ai cambiamenti climatici.

"La nostra immagine di come la materia organica viene scomposta nei suoli e nei sedimenti è incompleta, " ha detto l'autore principale dello studio Kristin Boye, uno scienziato dello staff associato presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource presso lo SLAC National Accelerator Laboratory ed ex borsista post-dottorato presso la Stanford's School of Earth, Scienze energetiche e ambientali. "Con questo studio, stiamo acquisendo nuove conoscenze sui meccanismi di conservazione del carbonio in ambienti sotterranei a basso o senza ossigeno".

In luoghi affamati di ossigeno come paludi e pianure alluvionali, i microrganismi non distruggono allo stesso modo tutta la materia organica disponibile, lo studio mostra. Anziché, i composti di carbonio che non forniscono energia sufficiente per consentire ai microrganismi di degradarsi finiscono per accumularsi. Questo carbonio passato, però, non rimane necessariamente rinchiuso sotto terra nel lungo periodo. Essendo solubile in acqua, il carbonio può penetrare nei vicini corsi d'acqua ricchi di ossigeno, dove i microbi lo consumano facilmente.

Ad oggi, i modelli degli ecosistemi locali e dei cambiamenti climatici più ampi non hanno tenuto conto di questo nuovo meccanismo di conservazione del carbonio, essendosi concentrato principalmente sugli enzimi microbici e sulla disponibilità di altri elementi per la scomposizione della materia organica.

"I suoli e i sedimenti sono un enorme e dinamico serbatoio di carbonio, ", ha affermato l'autore senior dello studio Scott Fendorf, un professore di biogeochimica del suolo alla Stanford Earth. "Ecco perché qui ci preoccupiamo dei tempi di rotazione per quanto riguarda la velocità con cui il carbonio organico viene degradato e rilasciato come anidride carbonica nell'atmosfera".

Tracciare il destino del carbonio

Per il nuovo studio, pubblicato oggi in Geoscienze naturali , il team di ricerca ha raccolto campioni di sedimenti sepolti da quattro pianure alluvionali nell'alto bacino del fiume Colorado negli stati del Colorado e del New Mexico.

Il circa 3 piedi di lunghezza, i campioni a forma di colonna sono andati abbastanza in profondità da raggiungere strati affamati di ossigeno in cui i microbi devono passare dal fare l'equivalente microbico della respirazione dell'ossigeno alla respirazione dello zolfo. In ogni caso, i microbi combinano ossigeno o zolfo con alimenti a base di carbonio per produrre energia e rilasciare anidride carbonica o anidride solforosa nell'atmosfera. (Che l'anidride solforosa è responsabile dell'odore caratteristico delle zone umide povere di ossigeno.)

Per identificare dove nei campioni di sedimento i microbi avevano effettuato il passaggio, i ricercatori si sono rivolti alla struttura di Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. La macchina di sincrotrone genera raggi X estremamente luminosi che, quando brillava sui campioni, genera un segnale che rivela la chimica dello zolfo. La presenza di minerali di solfuro indica dove i microbi hanno iniziato a utilizzare lo zolfo insieme al carbonio per alimentare i loro macchinari biochimici.

La domanda era se il passaggio allo zolfo avesse influenzato le fonti di carbonio che i microbi mangiavano o lasciavano. Per scoprirlo, i ricercatori hanno fatto affidamento su strumentazione e collaborazioni uniche all'interno dell'Environmental Molecular Sciences Laboratory presso il Pacific Northwest National Laboratory a Richmond, Washington. Con l'aiuto di un magnete molto potente, uno strumento chiamato spettrometro di massa in laboratorio ha caratterizzato il materiale organico solubile in acqua. I test hanno rilevato che, in contrasto con gli strati in cui l'ossigeno era disponibile, i composti di carbonio rimasti nei campioni di sedimento in cui lo zolfo era stato usato per la respirazione erano per lo più del tipo che richiede più energia per degradarsi di quella che sarebbe liberata attraverso la degradazione stessa. di nessuna utilità, poi, ai microbi in crescita, questi composti di carbonio erano rimasti all'interno degli strati sedimentari più profondi.

Affinare i modelli del ciclo del carbonio

pianure alluvionali, come quelli campionati nello studio, classificarsi tra le aree più comuni a livello globale per l'internamento di materia vegetale e animale da parte dei sedimenti trasportati dall'acqua. È noto che le condizioni povere di ossigeno create nel sottosuolo sequestrano il carbonio, ma come suggerisce lo studio, in parte per ragioni precedentemente non riconosciute e con conseguenze impreviste. Per tale alluvione incline, le zone basse sono per definizione vicine ai corsi d'acqua. Solubile, il materiale organico inutilizzato può migrare abbastanza facilmente in un corso d'acqua aerato per una successiva degradazione, innescando fioriture di alghe e altri problemi di qualità dell'acqua, portando anche alla produzione di anidride carbonica.

Modelli di come gli organismi viventi, il terreno, i corpi idrici e l'atmosfera riciclano il carbonio dovranno sempre più incorporare sfumature chiave, come il meccanismo di conservazione descritto nel nuovo studio di Stanford, al fine di informare la comprensione degli scienziati e le decisioni dei responsabili politici.

"Ottenere i vincoli giusti su ciò che controlla realmente i processi di scomposizione del carbonio è essenziale, " ha detto Fendorf. "Questo è ciò che il nostro studio aiuta a illuminare."