Les sols et les sédiments sous nos pieds peuvent contenir une quantité étonnante de carbone - plus que dans toutes les plantes du monde et l'atmosphère réunies - et représentent une source potentielle importante de dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre.

Dans une nouvelle étude, Les scientifiques de Stanford ont découvert un mécanisme jusqu'alors inconnu qui explique pourquoi les microbes ne parviennent parfois pas à décomposer toute la matière végétale et animale, laissant du carbone sous les pieds. Comprendre où, et combien de temps, cette matière organique enfouie persiste est cruciale pour que les scientifiques et les décideurs politiques puissent mieux prévoir et répondre au changement climatique.

"Notre image de la décomposition de la matière organique dans les sols et les sédiments est incomplète, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Kristin Boye, chercheur associé au Stanford Synchrotron Radiation Lightsource au SLAC National Accelerator Laboratory et ancien chercheur postdoctoral à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement. "Avec cette étude, nous obtenons de nouvelles connaissances sur les mécanismes de préservation du carbone dans les environnements souterrains à faible teneur en oxygène ou sans oxygène."

Dans les endroits pauvres en oxygène comme les marais et les plaines inondables, les micro-organismes ne décomposent pas également toute la matière organique disponible, l'étude montre. Au lieu, les composés carbonés qui ne fournissent pas assez d'énergie pour être utiles à la dégradation des micro-organismes finissent par s'accumuler. Ce carbone passé, cependant, ne reste pas nécessairement enfermé sous terre à long terme. Étant soluble dans l'eau, le carbone peut s'infiltrer dans les cours d'eau riches en oxygène à proximité, où les microbes le consomment facilement.

À ce jour, les modèles d'écosystèmes locaux et de changement climatique plus large n'ont pas pris en compte ce nouveau mécanisme de préservation du carbone, s'étant principalement concentré sur les enzymes microbiennes et la disponibilité d'autres éléments pour la décomposition de la matière organique.

« Les sols et les sédiments sont un immense et dynamique réservoir de carbone, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Scott Fendorf, professeur de biogéochimie des sols à Stanford Earth. "C'est pourquoi nous nous inquiétons des délais de renouvellement ici en ce qui concerne la vitesse à laquelle le carbone organique est dégradé et libéré sous forme de dioxyde de carbone dans l'atmosphère."

Suivi du devenir du carbone

Pour la nouvelle étude, publié aujourd'hui dans Géosciences de la nature , l'équipe de recherche a recueilli des échantillons de carottes de sédiments enfouis dans quatre plaines inondables du bassin supérieur du fleuve Colorado, dans les États du Colorado et du Nouveau-Mexique.

L'environ 3 pieds de long, les échantillons en forme de colonne sont allés assez profondément pour atteindre des couches privées d'oxygène où les microbes doivent passer de l'équivalent microbien de la respiration de l'oxygène à la respiration du soufre. Dans tous les cas, les microbes combinent l'oxygène ou le soufre avec des aliments à base de carbone pour produire de l'énergie et libérer du dioxyde de carbone ou du dioxyde de soufre dans l'atmosphère. (Ce dioxyde de soufre est responsable de l'odeur distinctive des zones humides pauvres en oxygène.)

Pour identifier où dans les échantillons de sédiments les microbes avaient fait le changement, les chercheurs se sont tournés vers l'installation Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. La machine synchrotron génère des rayons X extrêmement brillants qui, lorsqu'il brillait sur les échantillons, génère un signal révélant la chimie du soufre. La présence de minéraux sulfurés indique où les microbes ont commencé à utiliser du soufre aux côtés du carbone pour alimenter leur machinerie biochimique.

La question était de savoir si le passage au soufre avait influencé les sources de carbone que les microbes mangeaient ou laissaient derrière eux. Découvrir, les chercheurs se sont appuyés sur une instrumentation et des collaborations uniques au sein de l'Environmental Molecular Sciences Laboratory du Pacific Northwest National Laboratory à Richmond, Washington. A l'aide d'un aimant très puissant, un instrument appelé spectromètre de masse au laboratoire a caractérisé la matière organique soluble dans l'eau. Les tests ont révélé que, contrairement aux couches où l'oxygène était disponible, Les restes de composés carbonés dans les échantillons de sédiments où le soufre avait été utilisé pour la respiration étaient pour la plupart de ceux qui nécessitent plus d'énergie pour se dégrader que ce qui serait libéré par la dégradation elle-même. Inutile, alors, aux microbes en croissance, ces composés carbonés étaient restés dans les couches sédimentaires plus profondes.

Modèles de rodage du cycle du carbone

plaines inondables, comme ceux échantillonnés dans l'étude, se classent parmi les zones les plus courantes au monde pour l'internement de matières végétales et animales par les sédiments d'origine hydrique. Les conditions pauvres en oxygène créées sous terre sont connues pour séquestrer le carbone, mais comme le suggère l'étude, en partie pour des raisons jusque-là inconnues et avec des conséquences imprévues. Pour un tel sujet aux inondations, les zones basses sont par définition proches des cours d'eau. Soluble, la matière organique non utilisée peut migrer assez facilement dans un cours d'eau aéré pour une décomposition ultérieure, déclenchant des proliférations d'algues et d'autres problèmes de qualité de l'eau tout en conduisant également à la production de dioxyde de carbone.

Modèles de la façon dont les organismes vivants, le sol, les plans d'eau et l'atmosphère recyclent le carbone devront de plus en plus intégrer des nuances clés, comme le mécanisme de conservation décrit dans la nouvelle étude de Stanford, afin d'éclairer la compréhension des scientifiques ainsi que les décisions des décideurs politiques.

« Il est essentiel de bien définir les contraintes sur ce qui contrôle réellement les processus de dégradation du carbone, " a déclaré Fendorf. "C'est ce que notre étude aide à éclairer."