I batteri del suolo espirano più anidride carbonica dopo l’alimentazione senza zucchero

Quando i microbi del suolo mangiano materiale vegetale, il cibo digerito segue uno dei due percorsi. O il microbo usa il cibo per costruire il suo corpo, oppure espira il suo pasto sotto forma di anidride carbonica (CO).₂) nell’atmosfera.

Ora, un gruppo di ricerca guidato dalla Northwestern University ha, per la prima volta, tracciato i percorsi di una miscela di rifiuti vegetali mentre si muove attraverso il metabolismo batterico per fornire anidride carbonica all’atmosfera.₂. I ricercatori hanno scoperto che i microbi respirano tre volte più anidride carbonica₂ di carbonili di lignina (unità aromatiche non zuccherine) rispetto ai carbonili di cellulosa (unità di zucchero zucchero), che aggiungono struttura e supporto alle pareti cellulari delle piante.

Questi risultati aiutano a svelare il ruolo dei microbi nel ciclo del carbonio nel suolo, informazioni che potrebbero aiutare a migliorare le previsioni su come il carbonio nel suolo influisce sui cambiamenti climatici.

La ricerca sarà pubblicata martedì (11 giugno) sulla rivista Environmental Science and Technology.

“La riserva di carbonio immagazzinata nel suolo è circa 10 volte la quantità presente nell’atmosfera”, ha affermato il ricercatore della Northwestern University. Ludmila Aristilda, che ha condotto lo studio. “Ciò che accadrà a questo serbatoio avrà un enorme impatto sul pianeta. Perché i microbi possono rilasciare questo carbonio e trasformarlo in anidride carbonica nell’atmosfera.”₂C’è un grande interesse nel capire come metabolizzano i residui vegetali. Con l’aumento delle temperature, nel terreno sarà disponibile più materia organica di diverso tipo. Ciò influenzerà la quantità di anidride carbonica₂ Emesso da attività microbiche.

Aristilde è un’esperta della dinamica della materia organica nei processi ambientali e professore associato di ingegneria civile e ambientale presso la Northwestern University. Scuola di Ingegneria McCormick È membro di Centro di Biologia Sintetica E da Istituto Paula M. Trennens per la sostenibilità e l’energia. Carol Mendonca, ex Ph.D. candidato nel laboratorio Aristilde, è il primo autore di questo articolo. Lo studio comprende collaboratori dell’Università di Chicago.

“Non tutti i percorsi sono creati allo stesso modo.”

Il nuovo studio si basa sul lavoro in corso nel laboratorio di Aristilde per capirlo Come il suolo immagazzina – o rilascia – carbonio. Sebbene i ricercatori precedenti abbiano in genere monitorato il modo in cui i composti decomposti dalla materia vegetale si muovono individualmente attraverso i batteri, il team di Aristilde ha invece utilizzato una miscela di questi composti per modellare a cosa sono esposti i batteri nell’ambiente naturale. Quindi, per monitorare il modo in cui i diversi derivati ​​vegetali si muovono attraverso il metabolismo batterico, i ricercatori hanno etichettato i singoli atomi di carbonio con marcatori isotopici.

“L’etichettatura isotopica ci ha permesso di tracciare gli atomi di carbonio di ciascuna specie di composto all’interno della cellula”, ha detto Aristilde. “Tracciando i percorsi del carbonio, siamo stati in grado di catturare i loro percorsi nel metabolismo. Questo è importante perché non tutti i percorsi sono creati allo stesso modo in termini di produzione di anidride carbonica”.

Ad esempio, i carbonili dello zucchero nella cellulosa si muovono attraverso le vie della glicolisi e del pentoso fosfato. Questi percorsi innescano reazioni metaboliche che convertono il materiale digerito in atomi di carbonio per formare DNA e proteine, che costruiscono la biomassa del microbo. Ma il carbonio aromatico non zuccherino della lignina ha preso una strada diversa, attraverso il ciclo dell’acido tricarbossilico.

“Il ciclo dell’acido tricarbossilico è presente in tutte le forme di vita”, ha detto Aristilde. “Si trova nelle piante, nei microbi, negli animali e negli esseri umani. Sebbene questo ciclo produca anche precursori delle proteine, contiene molte più reazioni che producono anidride carbonica.”₂. La maggior parte della CO₂ Ciò che viene respirato dal metabolismo proviene da questo percorso.”

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Dopo aver tracciato le vie metaboliche, Aristilde e il suo team hanno condotto un’analisi quantitativa per determinare la quantità di anidride carbonica₂ Sono prodotti da diversi tipi di materiali vegetali. Dopo aver consumato una miscela di materiali vegetali, i microbi hanno respirato una quantità tre volte maggiore di anidride carbonica₂ di carbonio derivato dalla lignina rispetto al carbonio derivato dalla cellulosa.

“Sebbene i microbi consumino questi carbonati, allo stesso tempo, la quantità di anidride carbonica₂ “Il carbonio generato da ciascun tipo di carbonio è sproporzionato perché il carbonio viene elaborato attraverso due diversi percorsi metabolici”, ha affermato Aristilde.

Negli esperimenti iniziali, Aristilde e il suo team hanno utilizzato Pseudomonas putida, un comune batterio del suolo con molteplici metabolici. Curiosi di vedere se le loro scoperte si applicavano ad altri batteri, i ricercatori hanno studiato i dati di precedenti esperimenti presenti nella letteratura scientifica. Hanno scoperto la stessa relazione che hanno trovato tra la materia vegetale, il metabolismo e l’anidride carbonica₂ Si manifesta in altri batteri del suolo.

“Proponiamo una nuova prospettiva orientata al metabolismo per pensare a come elaborare le diverse strutture di carbonio a cui hanno accesso i microbi del suolo”, ha affermato Aristilde. “Questo sarà fondamentale per aiutarci a prevedere cosa accadrà al ciclo del carbonio nel suolo con i cambiamenti climatici”.

Lo studio, “Il flusso disproporzionale di CO2 nelle vie metaboliche batteriche per diversi substrati organici si traduce in un contributo variabile all’efficienza nell’uso del carbonio”, è stato sostenuto dalla National Science Foundation (numeri di sovvenzione CBET-1653092 e CBET-2022854).