普林斯顿大学 普林斯顿研究人员进行的土壤芯片实验模拟了土壤、碳化合物和土壤细菌之间的相互作用，产生了新的证据，表明大碳分子可能比以前想象的更快地逃离土壤
在这张显微镜照片中，土壤细菌(红色)生长在葡萄糖聚集体(绿色)周围，这些聚集体粘附在透明合成粘土的孔隙中
信用:朱迪Q
杨（姓氏） 地球上大部分的碳被截留在土壤中，科学家们认为潜在的气候变暖化合物会在那里安全地停留几个世纪
但是普林斯顿大学的新研究表明，碳分子可能比以前想象的更快地从土壤中逃逸
研究结果表明，某些类型的土壤细菌起着关键作用，它们可以产生酶，分解大的碳基分子，让二氧化碳逃逸到空气中
土壤中储存的碳比地球上所有植物和大气的总和还要多，土壤吸收了大约20%的人类产生的碳排放
然而，影响土壤碳储存和释放的因素一直难以研究，限制了土壤碳模型预测气候变化的相关性
新的结果有助于解释越来越多的证据表明，大的碳分子从土壤中释放的速度比普通模型中假设的要快
“我们提供了一个新的见解，那就是生物学的惊人作用以及它与碳是否仍然储存在土壤中的联系，”合著者霍华德·斯通说
迪克森69年和伊丽莎白W
迪克森机械和航天工程教授
在2007年1月16日发表的一篇论文中
在《自然通讯》杂志上，由前博士后朱迪·Q领导的研究人员
杨开发了“芯片上的土壤”实验来模拟土壤、碳化合物和土壤细菌之间的相互作用
他们使用一种合成的透明粘土作为土壤粘土成分的替代品，这种粘土在吸收含碳分子方面发挥着最大的作用
这种“芯片”是一种改良的显微镜载玻片或微流体装置，含有半厘米长、数倍于人发宽度(约400微米)的硅壁通道
通道两端的入口管和出口管允许研究人员注入合成粘土溶液，然后注入含有碳分子、细菌或酶的悬浮液
在用透明粘土覆盖通道后，研究人员添加了荧光标记的糖分子，以模拟从植物根部泄漏的含碳营养物质，特别是在降雨期间
这些实验使研究人员能够直接观察碳化合物在粘土中的位置，以及它们对流体流动的实时反应
当人造粘土流经该装置时，无论是大的还是小的糖基分子都会粘在上面
与目前的模型一致，小分子很容易脱落，而较大的分子仍然被困在粘土中
当研究人员将铜绿假单胞菌(一种常见的土壤细菌)添加到芯片土壤装置中时，细菌无法接触到粘土小孔中的营养物质
然而，葡聚糖酶代表某些土壤细菌释放的酶，可以分解合成粘土中的营养物质，并使更小的糖分子可用于促进细菌代谢
在环境中，这可能导致大量二氧化碳从土壤释放到大气中
研究人员在这个微流体装置上涂上透明的粘土，然后加入荧光标记的糖分子，在显微镜下观察碳从粘土中的吸附和释放
信用:朱迪Q
杨（姓氏） 研究人员通常认为，较大的碳化合物一旦粘附在粘土表面，就不会释放出来，从而导致长期的碳储存
该研究的主要作者杨说，最近的一些实地研究表明，这些化合物可以从粘土中分离出来，但其原因一直很神秘。杨是普林斯顿的博士后，现在是明尼苏达大学的助理教授
“这是一个非常重要的现象，因为它表明土壤中的碳可以释放出来，并在未来的气候变化中发挥作用，”杨说
“我们提供了这种碳是如何释放的直接证据——我们发现细菌产生的酶起着重要作用，但这经常被气候建模研究忽视”，假设粘土保护土壤中的碳数千年
这项研究源于斯通和合著者伊恩·伯格的对话，伊恩·伯格是土木和环境工程以及高草场环境研究所的助理教授
斯通的实验室使用微流体设备来研究合成纤维和细菌生物膜的特性，而伯格在粘土矿物的表面地球化学方面拥有专业知识——由于粘土矿物的精细结构和表面电荷，它们被认为对土壤碳储存贡献最大
斯通、伯格和他们的同事意识到有必要对广泛使用的碳储存模型中的一些假设进行实验测试
杨加入了斯通的团队领导这项研究，并与地球科学助理教授张新宁和高草甸环境研究所合作，研究细菌的代谢及其与土壤环境的相互作用
劳伦斯伯克利国家实验室气候科学部的科学家唐金云指出，近年来他和其他人观察到土壤中大碳分子的降解，并假设这是由生物产生的酶介导的
“普林斯顿小组的观察结果为我们的假设提供了强有力的支持，”唐说，他没有参与这项研究
他补充说，这项研究的技术也可以用来探索“小尺寸碳分子和粘土颗粒之间的可逆相互作用会导致微生物碳饥饿并有助于碳稳定吗？这种相互作用如何帮助保持土壤中的微生物多样性？这是一个非常激动人心的开始
" 未来的研究将测试模型系统中的细菌是否能释放自己的酶来降解大的碳分子并利用它们作为能量，在这个过程中释放CO2
该研究的作者说，虽然唐描述的碳稳定是可能的，但新发现的现象也可能产生相反的效果，形成一个正反馈回路，有可能加剧气候变化的速度
其他实验显示了一种“引发”效应，即土壤中小糖分子的增加导致土壤碳的释放，这反过来可能导致细菌生长更快，并释放更多的酶来进一步分解较大的碳分子，从而导致细菌活性的进一步增加
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