Выделения микроорганизмов оказались важным источником углерода в почве

Исследование, о котором сообщает nature.com, выявило второй важный микробный путь, по которому углерод попадает в почву и сохраняется в ней. Микроорганизмы вносят вклад не только через останки погибших клеток: вещества, которые они выделяют при жизни, могут поставлять сопоставимые количества углерода и включаться в состав органического углерода, связанного с минералами, с аналогичной или более высокой скоростью.

Этот вывод сделан на основе исследования почв сельскохозяйственных угодий по всему Китаю. Учёные разработали метод изотопного отслеживания, чтобы измерять образование внеклеточных полимерных веществ. Эти материалы выделяются за пределы клеток микроорганизмов и образуют смеси, в состав которых могут входить сахара, белки и другие биологические полимеры. По консистенции их часто описывают как напоминающие слизь, однако их значение для долгосрочного хранения углерода в почве до сих пор измерялось менее точно, чем значение остатков погибших клеток.

Недостающее звено микробного круговорота углерода

Органический углерод почвы частично формируется из растительного материала, однако именно микроорганизмы во многом определяют, что происходит с этим материалом после его попадания в землю. Они перерабатывают углерод растительного происхождения и превращают его часть в микробный углерод. Этот углерод может оставаться в почве, становясь частью общего запаса органического вещества.

Учёные установили, что клеточные остатки — фрагменты, остающиеся после гибели клеток микроорганизмов, — вносят значительный вклад в это накопление. Новая работа посвящена менее изученному вопросу: сколько углерода поступает из продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, выделяемых за пределы клетки до её гибели?

Внеклеточные полимерные вещества дают один из ответов. Микроорганизмы производят и выделяют их в окружающую среду, где они могут взаимодействовать с частицами почвы и минералами. Результаты исследования показывают, что этот процесс не является незначительным дополнением к накоплению углерода через погибшие клетки. Во всех обследованных почвах образование внеклеточных веществ было сопоставимо с образованием клеточных остатков микроорганизмов.

Исследователи также обнаружили статистическую связь между содержанием или образованием этих веществ и количеством органического углерода, связанного с минералами, в разных почвах. Сама по себе эта связь не подтверждает каждый этап процесса, однако указывает на взаимосвязь между микробными выделениями и одним из пулов почвенного углерода, которые считаются важными для его сохранения.

Отслеживание углерода в связанных с минералами запасах

Чтобы количественно оценить внеклеточный путь, исследователи разработали метод на основе воды, содержащей кислород-18, — разновидность кислорода, которую можно отслеживать в ходе биологических процессов. Они применили этот подход в рамках общенационального обследования сельскохозяйственных почв Китая, что позволило оценить образование внеклеточных полимерных веществ на множестве участков, а не в одном контролируемом образце.

В исследовании также использовались лабораторные эксперименты с микрокосмами, в которых углерод был помечен углеродом-13. Это позволило проследить углерод, происходящий из внеклеточных полимерных веществ, и определить, попал ли он в пул органического углерода, связанного с минералами.

Эти эксперименты показали, что углерод из микробных веществ переносился в связанный с минералами пул со скоростью, сопоставимой, а в некоторых случаях и превышающей скорость, измеренную для клеточных остатков микроорганизмов. Этот результат укрепляет вывод о том, что выделения микроорганизмов — не просто временный материал в почвенной среде. Они могут становиться частью углеродной фракции, связанной с минералами, где органическое вещество удерживается в форме, имеющей значение для накопления углерода в почве.

Почему это открытие важно

Органический углерод, связанный с минералами, — один из основных резервуаров углерода в почве. Понимание того, как углерод попадает в этот пул, важно, поскольку путь его поступления определяет, как исследователи интерпретируют изменения содержания углерода в почве и оценивают влияние микробных сообществ.

Эта работа расширяет представление о переработке углерода микроорганизмами. Если сосредоточиться только на погибших клетках, можно упустить углерод, выделяемый живыми микроорганизмами, хотя исследование показывает, что этот внеклеточный вклад может быть столь же важным. Таким образом, полученные результаты предлагают механизм, объясняющий, как микробные сообщества влияют на перемещение и удержание углерода в почвах.

Результаты также могут помочь усовершенствовать исследования реакции почвенного углерода на глобальные изменения. Условия, меняющие активность микроорганизмов, могут влиять не только на образование клеточных остатков, но и на выделение и дальнейшую судьбу внеклеточных полимерных веществ. Исследование не рассматривает внеклеточный путь как замену клеточным остаткам. Вместо этого оно выявляет оба пути как значимые каналы, через которые микробная переработка может способствовать накоплению связанного с минералами углерода в почве.