Как почвенные микробы влияют на углеродный цикл
Почвенные микробы играют ключевую роль в глобальном углеродном цикле, разлагая органическое вещество (растительный опад, мертвые организмы) и превращая его в простые соединения углерода, которые затем используются другими организмами или выделяются в атмосферу в виде газов, например, CO2.
Исследование под руководством Алиссы Ким из Корнеллского университета показывает, что активность микробов сильно зависит от условий в почве, таких как влажность и размер пор. Понимание этой связи может помочь улучшить здоровье и плодородие почв, а также снизить выбросы парниковых газов из сельскохозяйственных полей.
Влияние растительного опада
Ученые сравнили активность микробов рядом с опадом кукурузы и проса прутьевидного (switchgrass):
- Кукуруза — важнейшая сельхозкультура (около 90 млн акров в США в 2022 г.).
- Просо прутьевидное — перспективная биоэнергетическая культура.
Опад этих растений по-разному влияет на влажность почвы. С помощью рентгеновской и нейтронной компьютерной томографии (аналогично медицинскому КТ) исследователи обнаружили отчетливое снижение влажности на расстоянии 0.1–1.5 мм от остатков проса.
Влажность — ключевой фактор активности микробов, так как они выделяют ферменты для разложения органики. При оптимальной влажности производство ферментов увеличивается, что ускоряет разложение и выделение CO2. Именно это наблюдалось рядом с более влажным опадом кукурузы: он разлагался и выделял CO2 быстрее, чем опад проса.
Роль размера почвенных пор
Исследователи также изучили, как размер почвенных пор (от 10 до 30 мкм) влияет на активность ферментов, используя метод зимографии. Этот метод позволяет визуализировать активность ферментов с помощью флуоресцентных химических веществ.
Результаты показали противоположное влияние размера пор на разные ферменты:
- Бета-глюкозидаза (расщепляет клеточные стенки растений) была более активна в почвах с мелкими порами.
- Хитиназа (расщепляет экзоскелеты насекомых и грибов) была более активна в почвах с крупными порами.
Это связано с тем, что в порах разного размера обитают разные микробные сообщества, производящие разные ферменты. Поскольку в полевых почвах присутствуют поры всех размеров, это создает мозаику условий для разнообразных микробных процессов.
Изучение этих микромасштабных динамик помогает понять процессы, происходящие в обширных полях кукурузы и биоэнергетических культур. В будущем исследователи планируют изучить распределение влаги и пор в почве на более крупных масштабах.