Une grande partie du carbone terrestre est piégée dans le sol, et les scientifiques ont supposé que les composés potentiels de réchauffement climatique y resteraient en toute sécurité pendant des siècles. Mais de nouvelles recherches de l'Université de Princeton montrent que les molécules de carbone peuvent potentiellement s'échapper du sol beaucoup plus rapidement qu'on ne le pensait auparavant. Les résultats suggèrent un rôle clé pour certains types de bactéries du sol, qui peut produire des enzymes qui décomposent les grosses molécules à base de carbone et permettent au dioxyde de carbone de s'échapper dans l'air.

Plus de carbone est stocké dans le sol que dans toutes les plantes et l'atmosphère de la planète réunies, et le sol absorbe environ 20 % des émissions de carbone d'origine humaine. Encore, les facteurs qui affectent le stockage et la libération de carbone du sol ont été difficiles à étudier, mettre des limites à la pertinence des modèles de carbone du sol pour prédire le changement climatique. Les nouveaux résultats aident à expliquer les preuves croissantes que les grosses molécules de carbone peuvent être libérées du sol plus rapidement que ne le supposent les modèles courants.

« Nous avons fourni un nouvel aperçu, qui est le rôle surprenant de la biologie et son lien avec le fait que le carbone reste stocké" dans le sol, a déclaré le coauteur Howard Stone, le Donald R. Dixon '69 et Elizabeth W. Dixon professeur de génie mécanique et aérospatial.

Dans un article publié le 27 janvier dans Communication Nature , les chercheurs, dirigé par l'ancienne stagiaire postdoctorale Judy Q. Yang, développé des expériences "sol sur puce" pour mimer les interactions entre les sols, les composés carbonés et les bactéries du sol. Ils ont utilisé un synthétique, argile transparente en remplacement des composants argileux du sol, qui jouent le plus grand rôle dans l'absorption des molécules contenant du carbone.

La "puce" était une lame de microscope modifiée, ou un dispositif microfluidique, contenant des canaux à paroi de silicone d'un demi-centimètre de long et plusieurs fois la largeur d'un cheveu humain (environ 400 micromètres). Des tubes d'entrée et de sortie à chaque extrémité des canaux ont permis aux chercheurs d'injecter la solution d'argile synthétique, suivi de suspensions contenant des molécules de carbone, bactéries ou enzymes.

Après avoir recouvert les canaux avec de l'argile transparente, les chercheurs ont ajouté des molécules de sucre marquées par fluorescence pour simuler des nutriments contenant du carbone qui s'échappent des racines des plantes, notamment lors de pluies. Les expériences ont permis aux chercheurs d'observer directement les emplacements des composés de carbone dans l'argile et leurs mouvements en réponse à l'écoulement des fluides en temps réel.

Les petites et les grandes molécules à base de sucre se sont collées à l'argile synthétique lorsqu'elles ont traversé l'appareil. Conforme aux modèles actuels, les petites molécules étaient facilement délogées, tandis que les plus gros restaient piégés dans l'argile.

Lorsque les chercheurs ont ajouté Pseudomonas aeruginosa, une bactérie du sol commune, au dispositif de sol sur puce, les bactéries ne pouvaient pas atteindre les nutriments logés dans les petits pores de l'argile. Cependant, l'enzyme dextranase, qui représente les enzymes libérées par certaines bactéries du sol, pourrait décomposer les nutriments contenus dans l'argile synthétique et rendre disponibles des molécules de sucre plus petites pour alimenter le métabolisme bactérien. Dans l'environnement, cela pourrait conduire à de grandes quantités de CO 2 être rejeté du sol dans l'atmosphère.

Les chercheurs ont souvent supposé que les plus gros composés de carbone sont protégés contre la libération une fois qu'ils adhèrent aux surfaces argileuses, entraînant un stockage de carbone à long terme. Certaines études de terrain récentes ont montré que ces composés peuvent se détacher de l'argile, mais la raison en est mystérieuse, a déclaré l'auteur principal Yang, qui a mené la recherche en tant que boursier postdoctoral à Princeton et est maintenant professeur adjoint à l'Université du Minnesota.

"C'est un phénomène très important, parce que cela suggère que le carbone séquestré dans le sol peut être libéré [et jouer un rôle dans] le changement climatique futur, " a déclaré Yang. "Nous fournissons des preuves directes de la façon dont ce carbone peut être libéré - nous avons découvert que les enzymes produites par les bactéries jouent un rôle important, mais cela a souvent été ignoré par les études de modélisation climatique" qui supposent que l'argile protège le carbone dans les sols pendant des milliers d'années.

L'étude est née de conversations entre Stone et le coauteur Ian Bourg, professeur adjoint de génie civil et environnemental et du High Meadows Environmental Institute. Le laboratoire de Stone a utilisé des dispositifs microfluidiques pour étudier les propriétés des fibres synthétiques et des biofilms bactériens, tandis que Bourg possède une expertise dans la géochimie de surface des minéraux argileux, qui sont censés contribuer le plus au stockage du carbone dans le sol en raison de leur structure à petite échelle et de leurs charges de surface.

Calcul, Bourg et leurs collègues ont réalisé qu'il était nécessaire de tester expérimentalement certaines des hypothèses dans les modèles largement utilisés de stockage du carbone. Yang a rejoint le groupe de Stone pour diriger la recherche, et a également collaboré avec Xinning Zhang, un professeur adjoint de géosciences et du High Meadows Environmental Institute qui étudie les métabolismes des bactéries et leurs interactions avec l'environnement du sol.

Jinyun Tang, chercheur au département des sciences du climat du Lawrence Berkeley National Laboratory, a noté que ces dernières années, lui et d'autres ont observé la dégradation de grosses molécules de carbone dans les sols et ont émis l'hypothèse qu'elle était médiée par des enzymes produites biologiquement.

Les observations de l'équipe de Princeton "fournissent un très fort soutien à notre hypothèse, " dit Tang, qui n'a pas participé à l'étude. Il a ajouté que la technique de l'étude pourrait également être utilisée pour explorer des questions telles que « L'interaction réversible entre les molécules de carbone de petite taille et les particules d'argile induira-t-elle une privation de carbone chez les microbes et contribuera-t-elle à la stabilisation du carbone ? Et comment de telles interactions aident-elles à maintenir la diversité microbienne dans le sol ? C'est un début très excitant."

De futures études testeront si les bactéries du système modèle peuvent libérer leurs propres enzymes pour dégrader les grosses molécules de carbone et les utiliser pour produire de l'énergie, dégageant du CO 2 Dans le processus.

Alors que la stabilisation au carbone décrite par Tang est possible, le phénomène nouvellement découvert pourrait également avoir l'effet inverse, contribuer à une boucle de rétroaction positive avec le potentiel d'exacerber le rythme du changement climatique, les auteurs de l'étude ont déclaré. D'autres expériences ont montré un effet "d'amorçage", dans lequel l'augmentation des petites molécules de sucre dans le sol entraîne la libération de carbone du sol, ce qui peut à son tour accélérer la croissance des bactéries et libérer plus d'enzymes pour décomposer davantage les molécules de carbone plus grosses, conduisant à d'autres augmentations de l'activité bactérienne.