碳 - 毛细血管细菌带来的隐患气候风险

普林斯顿研究人员进行的芯片实验上的土壤模仿土壤，碳化合物和土壤细菌之间的相互作用，产生新的证据，即大碳分子可能会比以前思想更快地逃脱土壤。在这种显微镜图像中，土壤细菌（红色）在粘附在透明合成粘土中的葡萄糖（绿色）的聚集体周围生长。

地球的大部分碳被困在土壤中，科学家们假设潜在的气候变暖化合物会安全地留在几个世纪。但普林斯顿大学的新研究表明，碳分子可能比以前思想更快地逃脱土壤。研究结果表明某些类型的土壤细菌的关键作用，这可以产生分解大碳基分子的酶并允许二氧化碳逸出到空气中。

更多碳储存在土壤中，而不是在所有地球的植物和大气中储存，土壤吸收了人生成的碳排放的20％。然而，影响土壤中碳储存和释放的因素已经具有挑战性，对土壤碳模型预测气候变化的相关性进行限制。新结果有助于解释越来越多的证据表明，大碳分子可以比共同模型中的假设更快地从土壤中释放。

“我们提供了一个新的洞察力，这是生物学的令人惊讶的作用及其与碳仍然储存的碳仍然存在”在土地上，表示，唐纳德R. Dixon'69和伊丽莎白W. Dixon机械和航空航天工程教授。

在今天（1月27日）在自然通信发表的论文中，研究人员由前博士Q. yang，在芯片实验上开发了土壤，以模仿土壤，碳化合物和土壤细菌之间的相互作用。它们使用合成的透明粘土作为土壤粘土成分的竖立，这在吸收含碳分子中起最大的作用。

研究人员将这种微流体装置涂有透明粘土，然后加入荧光标记的糖分子，并在显微镜下从粘土上可视化碳的吸附和释放。

“芯片”是改进的显微镜载玻片，或微流体装置，含有硅树脂通道的半厘米长，人毛的宽度（约400微米）。通道的每个端部的入口和出口管允许研究人员注入合成粘土溶液，然后含有碳分子，细菌或酶的悬浮液。

通过透视粘土涂覆通道后，研究人员添加了荧光标记的糖分子以模拟含碳含碳从植物根部泄漏，特别是在降雨期间。实验使研究人员能够直接观察粘土内的碳化合物的位置及其实时流体​​流动的运动。

当流过装置时，小型和大的糖基分子都粘在合成粘土上。与当前模型一致，小分子容易脱落，而较大的分子仍然陷入粘土中。

当研究人员添加了铜绿假单胞菌，普通土壤铜绿假单胞菌，对芯片芯片器件的普通土壤，细菌不能达到粘土内孔隙内的营养物质。然而，代表某些土壤细菌释放的酶的酶葡聚糖酶可能会破坏合成粘土内的营养物质，并使糖分子用于燃料细菌代谢。在环境中，这可能导致大量二氧化碳从土壤中释放到大气中。

研究人员经常认为，一旦它们粘附在粘土表面上，导致长期碳储存，较大的碳化合物免受释放的保护。一些最近的实地研究表明，这些化合物可以从粘土上分离，但是这是一个神秘的原因，称为普林斯顿的博士后研究员，现在是明尼苏达大学的助理教授。

“这是一个非常重要的现象，因为它表明土壤中螯合的碳可以释放[并在未来的气候变化中发挥作用，”杨说。“我们正在提供这种碳如何释放的直接证据 - 我们发现细菌产生的酶发挥着重要作用，但这通常被气候建模研究忽略了”假设粘土保护土壤中的碳在土壤中持续数千年。

该研究从石头和Coauthor Ian Bourg之间的谈话中的谈话，是民间环境工程助理教授和高草甸环境研究所。石材的实验室使用了微流体装置来研究合成纤维和细菌生物膜的性质，而Bourg则在粘土矿物表面地球化学中具有专业知识 - 由于它们的细尺结构和表面电荷而导致对土壤碳储存最多的贡献。

石头，博尔格及其同事意识到有必要通过实验测试广泛使用的碳储存模型中的一些假设。杨加入石头集团领导研究，也与新宁张，一位地质助理教授和高草甸环境研究所调查了细菌的代谢及其与土壤环境的相互作用。

Lawrence Berkeley国家实验室气候科学家的研究科学家金云唐指出，近年来，他和其他人已经观察到土壤中大碳分子的降解，并假设它是通过生物产生的酶介导的。

普林斯顿团队的观察“为我们的假设提供了非常强大的支持”，“唐，他不参与该研究。他补充说，该研究的技术也可以用来探索这样的问题，“小尺寸碳分子和粘土颗粒之间的可逆相互作用会诱导碳饥饿到微生物并有助于碳稳定化？这种相互作用如何帮助维持土壤中的微生物普及？这是一个非常令人兴奋的开始。“

未来的研究将测试模型系统中的细菌是否可以释放自己的酶来降解大碳分子并使用它们进行能量，在该过程中释放CO 2。

研究的作者说，虽然所描述的碳稳定曲案也可能具有相反的效果，有助于激发气候变化速度的阳性反馈回路。其他实验表明了“引发”的效果，其中土壤中的小糖分子增加导致土壤碳的释放，这可能反过来导致细菌更快地生长并释放更多的酶以进一步分解较大的碳分子，导致较大的碳分子进一步分解细菌活性仍然增加。

参考：“4D成像揭示了粘土 - 碳保护和释放机制”通过朱迪Q.杨，新宁张，伊恩C. Bourg和Howard A. Stone，1月2021年1月27日，Nature Communications.doi：
10.1038 / s41467-020-20798-6

该研究得到了大挑战计划和普林斯顿高海域环境研究所的碳缓解倡议的支持。