Molte complessità del processo di sequestro del carbonio rimangono poco comprese, nonostante anni di ricerca e l'impatto significativo di questo processo sul clima globale.

Ora, tre scienziati hanno proposto un nuovo approccio per comprendere meglio il ruolo della materia organica del suolo nello stoccaggio del carbonio a lungo termine e la sua risposta ai cambiamenti del clima globale e della chimica atmosferica. Il terzetto, tra cui Julie Jastrow del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory, hanno pubblicato le loro idee nel numero di agosto di Microbiologia della natura .

L'articolo arriva in un momento di crescente preoccupazione per il crescente problema del degrado del suolo, e il concetto emergente di sicurezza del suolo (la stabilizzazione e il miglioramento delle risorse del suolo mondiale).

"Il suolo è importante per la vita sulla Terra come la conosciamo, " disse Jastrow, un anziano ecologo terrestre e leader del gruppo nella divisione di scienze ambientali di Argonne. "Suoli, e in particolare materia organica del suolo, sono fondamentali per molti dei servizi e delle funzioni essenziali forniti dal suolo".

"Gli specialisti della materia organica del suolo hanno creduto a lungo che i resti di materia vegetale in decomposizione fossero i componenti principali del carbonio stabilizzato del suolo, ", ha affermato Chao Liang dell'Istituto di ecologia applicata dell'Accademia cinese delle scienze, autore principale dell'articolo di Nature Microbiology ed ex scienziato post-dottorato ad Argonne. "Ma l'evoluzione degli approcci analitici ha portato i ricercatori a spostarsi verso l'opinione che la biomassa microbica morta e altri residui microbici potrebbero contribuire in modo ancora più significativo a pool di carbonio stabili".

"Sono d'accordo con Chao sul fatto che stiamo assistendo a un cambiamento di paradigma. Potremmo non avere ancora gli strumenti o i dati per supportarlo o quantificarlo pienamente, ma il nostro pensiero si sta evolvendo, " disse Jastrow.

Le idee presentate in Microbiologia della natura articolo sono stati affinati quando il coautore, Joshua Schimel, uno dei principali ecologisti microbici del suolo dell'Università della California, Santa Barbara, ha visitato il laboratorio di Liang nel 2015. Liang in seguito ha invitato Jastrow ad aiutarli a perfezionare ulteriormente le loro idee.

"Il quadro concettuale e le idee descritte in questo articolo possono darci indizi su come stabilizzare e rinnovare meglio i suoli vulnerabili o degradati, " Ha detto Liang. "Fornisce anche informazioni sulle origini delle diverse forme di materia organica del suolo".

"Questa nuova intuizione è essenziale per le nostre discussioni nazionali e globali sulla vulnerabilità del suolo e sulla sostenibilità dei suoli per la produzione di cibo e biocarburanti, sostenibilità ecologica, politica ambientale per la salute e il clima, " Egli ha detto.

Nel ciclo del carbonio, il carbonio si muove tra le piante, animali, suoli, la crosta terrestre, acqua dolce, gli oceani e l'atmosfera. Il carbonio sequestrato è il carbonio che rimane in uno stoccaggio a lungo termine. Cere e calare di carbonio nel suolo, a seconda dell'equilibrio tra gli input di nuovi materiali organici e gli output. Le perdite si verificano principalmente attraverso la decomposizione, ma anche attraverso la lisciviazione nelle acque sotterranee o l'erosione superficiale.

Gli studi si sono a lungo concentrati su come i rifiuti vegetali, per lo più foglie morte, steli e radici:si decompone e si trasforma in materia organica del suolo. Il contributo della biomassa vivente dei microbi al carbonio del suolo, che rappresenta solo dall'1 al 5 percento del carbonio totale del suolo, ha ricevuto molta meno attenzione, però.

"Quando i ricercatori hanno confrontato la quantità di biomassa microbica vivente con gli input annuali delle piante, sembrava naturale pensare che la maggior parte della materia organica del suolo dovesse provenire da rifiuti vegetali, " ha osservato Jastrow.

Anche se la biomassa vivente dei microbi è piccola, questi organismi crescono, vivere e morire a un ritmo rapido. Ciò significa che gli input microbici alla materia organica del suolo possono essere molto più grandi di quanto si pensasse in precedenza, in particolare quando una parte significativa di tali input viene stabilizzata anziché scomposta. Ma anche con nuove intuizioni e miglioramenti negli strumenti utilizzati per studiare la materia organica del suolo, molte domande e incognite persistono.

"I ricercatori sanno da diversi decenni che la materia organica del suolo include residui microbici, ma hanno realizzato la potenziale grandezza di quei contributi più di recente, " Ha detto Jastrow. Lei e i suoi colleghi suggeriscono che due tipi di attività metabolica microbica controllano in gran parte l'entità dei contributi microbici alla formazione di materia organica del suolo.

Attraverso l'attività catabolica, i microbi scompongono le molecole complesse per formarne di più semplici, che rilascia carbonio sotto forma di anidride carbonica. Attraverso l'attività anabolica, i microbi sintetizzano molecole complesse da quelle più semplici, che contribuisce allo stoccaggio del carbonio.

Gli scienziati suggeriscono di adottare un approccio basato su un concetto chiamato pompa del carbonio microbico del suolo per stimolare nuove ricerche fruttuose in questo settore. I ricercatori marini hanno per primi sollevato il concetto di pompa di carbonio microbica. La pompa microbica marina del carbonio sequestra il carbonio trasferendolo in profondità negli oceani. Attraverso questo processo, i batteri contribuiscono in modo significativo allo stoccaggio del carbonio a lungo termine e alla regolazione dell'anidride carbonica atmosferica.

"Attingere al concetto di pompa di carbonio microbico che ha avuto origine nella letteratura marina fornisce semplicemente un modo di organizzare e pensare a tutte le varie complessità associate al ruolo dell'anabolismo microbico nella formazione della materia organica del suolo, " disse Jastrow.

Nella loro carta, Jastrow e i suoi colleghi collegano la pompa del carbonio microbico alla capacità dei composti sintetizzati microbicamente di stabilizzarsi da intime associazioni fisiche e chimiche con i minerali del suolo. Chiamano quest'ultimo fenomeno "effetto sepoltura". La pompa di carbonio microbica del suolo migliora questo effetto, soprattutto attraverso il processo di turnover in vivo, sostengono gli scienziati. Con fatturato in vivo, i microrganismi processano metabolicamente i materiali vegetali per generare biomassa. Quando quei microbi muoiono, i loro residui hanno maggiori probabilità di essere "sepolti" rispetto ai residui vegetali, migliorare il pool di carbonio persistente nel suolo.

L'interazione tra i processi catabolico e anabolico gioca un fattore chiave nell'inclinare l'equilibrio tra l'effetto di tumulazione e il suo rovescio della medaglia, l'effetto di innesco, che aiuta a liberare carbonio dalla materia organica stabile. Quando è fresco, i residui facili da decomporre entrano nel terreno, questa fonte di energia prontamente disponibile può "innescare" le attività cataboliche dei microbi e stimolare la decomposizione di pool di materia organica del suolo più complessi e stabili.

Così, aggiunta di nuovi, il carbonio prodotto esternamente può aumentare la produzione di anidride carbonica innescando la decomposizione microbica della materia organica del suolo esistente, e allo stesso tempo può portare a un maggiore interramento dei residui microbici.

"Ma, i ricercatori avranno bisogno di strumenti analitici migliori per quantificare in modo più accurato la massa di materiale microbico morto e residui nei suoli, e per comprendere i fattori che controllano l'equilibrio tra gli effetti di tumulazione e di priming, " ha notato Liang.

"Al momento esistono pochi dati che informano direttamente la nostra quantificazione e comprensione dei meccanismi alla base del concetto di pompa di carbonio microbica del suolo, " Egli ha detto.

Anche adesso, molti dei metodi e degli strumenti analitici che forniscono nuove conoscenze sulla materia organica del suolo sono ancora insufficienti.

"Tuttavia, le nuove intuizioni stanno iniziando a cambiare il modo in cui pensiamo alla materia organica del suolo e alla sua formazione, degrado e dinamica, " disse Jastrow.

"Organizzando queste intuizioni intorno al concetto di una pompa di carbonio microbica del suolo, " ha aggiunto Liang, "Speriamo di ispirare nuove ricerche mirate al ruolo dei microrganismi nella creazione di materia organica del suolo e alla sua resilienza ai disturbi o al cambiamento delle condizioni ambientali".