Gran parte del carbonio terrestre è intrappolato nel suolo, e gli scienziati hanno ipotizzato che i potenziali composti del riscaldamento climatico rimarrebbero lì in sicurezza per secoli. Ma una nuova ricerca dell'Università di Princeton mostra che le molecole di carbonio possono potenzialmente sfuggire al suolo molto più velocemente di quanto si pensasse in precedenza. I risultati suggeriscono un ruolo chiave per alcuni tipi di batteri del suolo, che possono produrre enzimi che scompongono grandi molecole a base di carbonio e consentono all'anidride carbonica di fuoriuscire nell'aria.

Nel suolo viene immagazzinato più carbonio che in tutte le piante e nell'atmosfera del pianeta messe insieme, e il suolo assorbe circa il 20% delle emissioni di carbonio generate dall'uomo. Ancora, i fattori che influenzano lo stoccaggio e il rilascio del carbonio dal suolo sono stati difficili da studiare, ponendo limiti alla rilevanza dei modelli del carbonio nel suolo per la previsione dei cambiamenti climatici. I nuovi risultati aiutano a spiegare la crescente evidenza che grandi molecole di carbonio possono essere rilasciate dal suolo più rapidamente di quanto si supponga nei modelli comuni.

"Abbiamo fornito una nuova intuizione, qual è il ruolo sorprendente della biologia e il suo legame con il fatto che il carbonio rimanga immagazzinato" nel suolo, ha detto il coautore Howard Stone, il Donald R. Dixon '69 e Elizabeth W. Dixon Professore di ingegneria meccanica e aerospaziale.

In un articolo pubblicato il 27 gennaio in Comunicazioni sulla natura , i ricercatori, guidato dall'ex borsista postdottorato Judy Q. Yang, sviluppato esperimenti "soil on a chip" per imitare le interazioni tra suoli, composti del carbonio e batteri del suolo. Hanno usato un sintetico, argilla trasparente come sostituto dei componenti argillosi del terreno, che svolgono il ruolo più importante nell'assorbimento di molecole contenenti carbonio.

Il "chip" era un vetrino da microscopio modificato, o un dispositivo microfluidico, contenente canali con pareti di silicone lunghi mezzo centimetro e parecchie volte la larghezza di un capello umano (circa 400 micrometri). I tubi di ingresso e di uscita a ciascuna estremità dei canali hanno permesso ai ricercatori di iniettare la soluzione di argilla sintetica, seguito da sospensioni contenenti molecole di carbonio, batteri o enzimi.

Dopo aver rivestito i canali con l'argilla trasparente, i ricercatori hanno aggiunto molecole di zucchero con etichetta fluorescente per simulare nutrienti contenenti carbonio che fuoriescono dalle radici delle piante, soprattutto durante le piogge. Gli esperimenti hanno permesso ai ricercatori di osservare direttamente le posizioni dei composti di carbonio all'interno dell'argilla e i loro movimenti in risposta al flusso del fluido in tempo reale.

Sia le piccole che le grandi molecole a base di zucchero si sono attaccate all'argilla sintetica mentre scorrevano attraverso il dispositivo. In linea con i modelli attuali, piccole molecole si staccavano facilmente, mentre quelli più grandi sono rimasti intrappolati nell'argilla.

Quando i ricercatori hanno aggiunto Pseudomonas aeruginosa, un comune batterio del suolo, al dispositivo suolo su truciolo, i batteri non potevano raggiungere i nutrienti alloggiati all'interno dei piccoli pori dell'argilla. Però, l'enzima destranasi, che rappresenta gli enzimi rilasciati da alcuni batteri del suolo, potrebbe abbattere i nutrienti all'interno dell'argilla sintetica e rendere disponibili molecole di zucchero più piccole per alimentare il metabolismo batterico. Nell'ambiente, questo potrebbe portare grandi quantità di CO ₂ essere rilasciato dal suolo nell'atmosfera.

I ricercatori hanno spesso ipotizzato che i composti di carbonio più grandi siano protetti dal rilascio una volta che si attaccano alle superfici di argilla, con conseguente stoccaggio del carbonio a lungo termine. Alcuni recenti studi sul campo hanno dimostrato che questi composti possono staccarsi dall'argilla, ma la ragione di ciò è stata misteriosa, ha detto l'autore principale Yang, che ha condotto la ricerca come borsista post-dottorato a Princeton ed è ora assistente professore presso l'Università del Minnesota.

"Questo è un fenomeno molto importante, perché suggerisce che il carbonio sequestrato nel suolo può essere rilasciato [e svolgere un ruolo nei] futuri cambiamenti climatici, " ha detto Yang. "Stiamo fornendo prove dirette di come questo carbonio può essere rilasciato:abbiamo scoperto che gli enzimi prodotti dai batteri svolgono un ruolo importante, ma questo è stato spesso ignorato dagli studi sui modelli climatici" che presumono che l'argilla protegga il carbonio nei suoli per migliaia di anni.

Lo studio è nato da conversazioni tra Stone e il coautore Ian Bourg, un assistente professore di ingegneria civile e ambientale e l'High Meadows Environmental Institute. Il laboratorio di Stone ha utilizzato dispositivi microfluidici per studiare le proprietà delle fibre sintetiche e dei biofilm batterici, mentre Bourg ha esperienza nella geochimica di superficie dei minerali argillosi, che si pensa contribuiscano maggiormente allo stoccaggio del carbonio nel suolo a causa della loro struttura a scala fine e delle cariche superficiali.

Calcolo, Bourg e i loro colleghi si sono resi conto che era necessario testare sperimentalmente alcune delle ipotesi in modelli ampiamente utilizzati di stoccaggio del carbonio. Yang si è unito al gruppo di Stone per guidare la ricerca, e ha anche collaborato con Xinning Zhang, un assistente professore di geoscienze e l'High Meadows Environmental Institute che studia il metabolismo dei batteri e le loro interazioni con l'ambiente del suolo.

Jinyun Tang, uno scienziato ricercatore nel dipartimento di scienze del clima presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, ha osservato che negli ultimi anni lui e altri hanno osservato la degradazione di grandi molecole di carbonio nei suoli e hanno ipotizzato che fosse mediata da enzimi prodotti biologicamente.

Le osservazioni del team di Princeton "forniscono un supporto molto forte alla nostra ipotesi, " disse Tang, che non è stato coinvolto nello studio. Ha aggiunto che la tecnica dello studio potrebbe anche essere utilizzata per esplorare domande come "L'interazione reversibile tra molecole di carbonio di piccole dimensioni e particelle di argilla indurrà la carenza di carbonio nei microbi e contribuirà alla stabilizzazione del carbonio? E in che modo tali interazioni aiutano a mantenere la diversità microbica? nel suolo? È un inizio molto eccitante".

Studi futuri verificheranno se i batteri nel sistema modello possono rilasciare i propri enzimi per degradare grandi molecole di carbonio e usarle per produrre energia, rilasciando CO ₂ nel processo.

Mentre la stabilizzazione del carbonio Tang descritta è possibile, il fenomeno appena scoperto potrebbe avere anche l'effetto opposto, contribuendo a un ciclo di feedback positivo con il potenziale di esacerbare il ritmo del cambiamento climatico, hanno detto gli autori dello studio. Altri esperimenti hanno mostrato un effetto di "adescamento", in cui l'aumento di piccole molecole di zucchero nel suolo porta al rilascio di carbonio nel suolo, che a sua volta può indurre i batteri a crescere più rapidamente e rilasciare più enzimi per abbattere ulteriormente le molecole di carbonio più grandi, portando ad un ulteriore aumento dell'attività batterica.