De hoop was dat de grond ons zou kunnen redden. Nu de beschaving steeds grotere hoeveelheden koolstofdioxide in de atmosfeer blijft pompen, kunnen planten - de koolstofwassers van de natuur - misschien een deel van die overtollige koolstof verpakken en eeuwen of langer ondergronds begraven.

Die hoop heeft geleid tot steeds ambitieuzere plannen voor de beperking van de klimaatverandering. Onderzoekers van het Salk Institute, bijvoorbeeld, hoop aan bio-ingenieursplanten waarvan de wortels enorme hoeveelheden van een koolstofrijke, kurkachtige substantie genaamd suberin zullen produceren. Zelfs nadat de plant sterft, gaat het denken, de koolstof in de suberine zou eeuwenlang begraven moeten blijven. Deze Het planteninitiatief benutten is misschien wel de helderste ster aan een overvol firmament van oplossingen voor klimaatverandering op basis van het bruine spul onder onze voeten.

Dergelijke plannen hangen in grote mate af van het bestaan ​​van grote, stabiele, koolstofrijke moleculen die honderden of duizenden jaren onder de grond kunnen meegaan. Dergelijke moleculen, gezamenlijk humus genoemd, zijn lange tijd een hoeksteen geweest van de bodemwetenschap; belangrijke landbouwpraktijken en geavanceerde klimaatmodellen zijn erop gebouwd.

Maar in de afgelopen 10 jaar heeft de bodemwetenschap een stille revolutie ondergaan, vergelijkbaar met wat er zou gebeuren als in de natuurkunde de relativiteitstheorie of de kwantummechanica zou worden omvergeworpen. Behalve in dit geval heeft bijna niemand ervan gehoord - waaronder velen die hopen dat de bodem het klimaat kan redden. "Er zijn veel mensen die geïnteresseerd zijn in sekwestratie, die het nog niet hebben ingehaald," zei Margaret Toren, een bodemwetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory.

Een nieuwe generatie bodemstudies, aangedreven door moderne microscopen en beeldvormingstechnologieën, heeft aangetoond dat wat humus ook is, het niet de duurzame stof is waarvan wetenschappers dachten dat het was. Bodemonderzoekers hebben geconcludeerd dat zelfs de grootste, meest complexe moleculen snel kunnen worden verslonden door de overvloedige en vraatzuchtige microben van de bodem. Het magische molecuul dat je gewoon in de grond kunt steken en verwacht daar te blijven, bestaat misschien niet.

"Ik heb De aard en eigenschappen van bodems voor me – het standaard leerboek,” zei Greg Sanford, een bodemonderzoeker aan de Universiteit van Wisconsin, Madison. "De theorie van de accumulatie van organische koolstof in de bodem die in dat leerboek staat, is grotendeels onjuist gebleken... en we leren het nog steeds."

De gevolgen gaan veel verder dan strategieën voor koolstofvastlegging. Grote klimaatmodellen zoals die van het Intergovernmental Panel on Climate Change zijn gebaseerd op dit achterhaalde begrip van de bodem. Meerdere recent studies geven aan dat die modellen de totale hoeveelheid koolstof onderschatten die vrijkomt uit de bodem in een opwarmend klimaat. Bovendien zijn computermodellen die de broeikasgaseffecten van landbouwpraktijken voorspellen - voorspellingen die worden gebruikt in koolstofmarkten - waarschijnlijk te optimistisch over het vermogen van de bodem om koolstof vast te houden en vast te houden.

Mogelijk is het nog mogelijk om koolstof op lange termijn ondergronds op te slaan. Inderdaad, radioactieve dateringsmetingen suggereren dat een bepaalde hoeveelheid koolstof eeuwenlang in de bodem kan blijven. Maar totdat bodemwetenschappers een nieuw paradigma bouwen om het oude te vervangen - een proces dat nu aan de gang is - zal niemand volledig begrijpen waarom.

De dood van Humus

De bodem geeft zijn geheimen niet zomaar prijs. Zijn bestanddelen zijn klein, gevarieerd en waanzinnig talrijk. Het bestaat op zijn minst uit mineralen, rottend organisch materiaal, lucht, water en enorm complexe ecosystemen van micro-organismen. Een theelepel gezonde aarde bevat meer bacteriën, schimmels en andere microben dan er mensen op aarde zijn.

De Duitse bioloog Franz Karl Achard was een vroege pionier in het begrijpen van de chaos. In een baanbrekend onderzoek uit 1786 gebruikte hij alkaliën om moleculen van lange koolstofketens uit veengronden te extraheren. Door de eeuwen heen zijn wetenschappers gaan geloven dat zulke lange ketens, gezamenlijk humus genoemd, een grote poel van bodemkoolstof vormden die bestand is tegen ontbinding en daar eigenlijk gewoon blijft zitten. Men dacht dat een kleinere fractie bestaande uit kortere moleculen microben voedde, die koolstofdioxide naar de atmosfeer ademden.

Deze visie werd af en toe in twijfel getrokken, maar tegen het midden van de 20e eeuw was het humusparadigma "het enige spel in de stad", zei Johannes Lehman, een bodemwetenschapper aan de Cornell University. Boeren kregen de opdracht om praktijken toe te passen die verondersteld werden om humus op te bouwen. Het bestaan ​​van humus is waarschijnlijk een van de weinige bodemwetenschappelijke feiten die veel niet-wetenschappers zouden kunnen opnoemen.

Wat hielp om de greep van humus op de bodemwetenschap te breken, was de natuurkunde. In de tweede helft van de 20e eeuw maakten krachtige nieuwe microscopen en technieken zoals kernmagnetische resonantie en röntgenspectroscopie het voor bodemwetenschappers voor het eerst mogelijk om rechtstreeks in de bodem te kijken en te zien wat er was, in plaats van dingen eruit te trekken en dan te kijken bij hen.

Wat ze vonden - of, meer specifiek, wat ze niet vonden - was schokkend: er waren weinig of geen lange "recalcitrante" koolstofmoleculen - het soort dat niet afbreekt. Bijna alles leek klein en in principe verteerbaar.

"We zien geen moleculen in de bodem die zo weerbarstig zijn dat ze niet kunnen worden afgebroken," zei Jennifer Pett Ridge, een bodemwetenschapper bij het Lawrence Livermore National Laboratory. "Microben zullen leren om alles af te breken - zelfs echt vervelende chemicaliën."

Lehmann, wiens studies met geavanceerde microscopie en spectroscopie tot de eersten behoorden die de afwezigheid van humus aan het licht brachten, is de ontmaskeraar van het concept geworden. Een 2015 NATUUR paper waarvan hij co-auteur was stelt dat "het beschikbare bewijs de vorming van grote moleculaire en persistente 'humusstoffen' in de bodem niet ondersteunt." In 2019 hield hij een lezing met een dia met daarin een nep-doodsaankondiging voor "onze vriend, het concept van Humus".

In de afgelopen tien jaar zijn de meeste bodemwetenschappers deze visie gaan accepteren. Ja, de bodem is enorm gevarieerd. En er zit veel koolstof in. Maar er zit geen koolstof in de bodem die in principe niet door micro-organismen kan worden afgebroken en in de atmosfeer terecht kan komen. De nieuwste editie van De aard en eigenschappen van bodems, gepubliceerd in 2016, citeert Lehmann's paper uit 2015 en erkent dat "ons begrip van de aard en het ontstaan ​​van bodemhumus enorm is verbeterd sinds de eeuwwisseling, waardoor sommige lang aanvaarde concepten moeten worden herzien of verlaten."

Oude ideeën kunnen echter zeer weerbarstig zijn. Weinigen buiten de bodemkunde hebben van de ondergang van humus gehoord.

begraven beloften

Op hetzelfde moment dat bodemwetenschappers herontdekten wat bodem precies is, onthulden klimaatonderzoekers dat toenemende hoeveelheden koolstofdioxide in de atmosfeer het klimaat snel opwarmden, met mogelijk catastrofale gevolgen.

Al snel kwamen de gedachten op het gebruik van aarde als een gigantische koolstofput. Bodems bevatten enorme hoeveelheden koolstof - meer koolstof dan in de atmosfeer van de aarde en al haar vegetatie samen. En hoewel bepaalde praktijken zoals ploegen die koolstof kunnen aanwakkeren, heeft de landbouw in de loop van de menselijke geschiedenis een geschatte 133 miljard ton koolstof in de atmosfeer - de bodem kan ook koolstof opnemen, omdat planten afsterven en hun wortels uiteenvallen.

Wetenschappers begonnen te suggereren dat we misschien grote hoeveelheden atmosferische koolstof terug in de bodem zouden kunnen lokken om de schade van klimaatverandering te dempen of zelfs ongedaan te maken.

In de praktijk blijkt dit lastig. Een vroeg idee om de koolstofopslag te vergroten - gewassen planten zonder de grond te bewerken - is grotendeels mislukt. Toen boeren de grondbewerking oversloegen en in plaats daarvan zaden in de grond boorden, groeiden koolstofvoorraden in de bovenste grondlagen, maar ze verdwenen uit de lagere lagen. De meeste experts zijn nu van mening dat de praktijk koolstof in de bodem herverdeelt in plaats van verhoogt, hoewel het andere factoren kan verbeteren, zoals de waterkwaliteit en de gezondheid van de bodem.

Inspanningen zoals het Harnessing Plants Initiative vertegenwoordigen zoiets als koolstofvastlegging 2.0 in de bodem: een meer directe interventie om in wezen een hoop koolstof in de grond te stoppen.

Het initiatief ontstond toen twee plantengenetici van het Salk Institute, Joanne Chory en Wolfgang Busch, kwam met een idee: maak planten waarvan de wortels een overmaat aan koolstofrijke moleculen produceren. Volgens hun berekeningen zouden dergelijke planten, als ze op grote schaal worden gekweekt, tot 20% van de overtollige koolstofdioxide die mensen elk jaar aan de atmosfeer toevoegen, kunnen vastleggen.

De onderzoekers richtten zich op een complex, kurkachtig molecuul genaamd suberin, dat door veel plantenwortels wordt geproduceerd. Studies uit de jaren 1990 en 2000 hadden gesuggereerd dat suberine en soortgelijke moleculen de ontbinding in de bodem zouden kunnen weerstaan.

Met flitsende marketing kreeg het Harnessing Plants Initiative aandacht. Een eerste inzamelingsronde in 2019 ingebracht meer dan $ 35 miljoen. Vorig jaar droeg multimiljardair Jeff Bezos $30 miljoen bij uit zijn 'Earth Fund'.

Maar naarmate het project in een stroomversnelling raakte, trok het twijfelaars. Een groep onderzoekers merkte in 2016 op dat niemand het ontbindingsproces van suberine daadwerkelijk had waargenomen. Toen die auteurs het relevante experiment deden, ontdekten ze dat veel van de suberine snel verging.

In 2019 beschreef Chory het project op een TED-conferentie. Asmeret Asefaw Berhe, een bodemwetenschapper aan de Universiteit van Californië, Merced, die op dezelfde conferentie sprak, wees Chory erop dat volgens de moderne bodemwetenschap, suberine, zoals elke koolstofhoudende verbinding, in de bodem zou moeten afbreken. (Berhe, die is genomineerd om leiding te geven aan het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie, heeft een interviewverzoek afgewezen.)

Rond dezelfde tijd, Hanna Poffenbarger, een bodemonderzoeker aan de Universiteit van Kentucky, maakte een soortgelijke opmerking nadat hij Busch had horen spreken tijdens een workshop. "Je zou echt wat bodemwetenschappers aan boord moeten krijgen, want de veronderstelling dat we kunnen fokken voor meer weerbarstige wortels - dat is misschien niet waar", herinnert Poffenbarger zich tegen Busch.

Vragen over het project doken eerder dit jaar publiekelijk op, toen Jonathan Sanderman, een bodemwetenschapper bij het Woodwell Climate Research Center in Woods Hole, Massachusetts, tweeted, "Ik dacht dat de bodembiogeochem-gemeenschap was afgestapt van het idee dat er een magische weerbarstige plantensamenstelling is. Mis ik belangrijke nieuwe literatuur over suberin?” Nog een bodemwetenschapper gereageerd,,Nee, de literatuur suggereert dat suberine net als elk ander organisch plantaardig bestanddeel wordt afgebroken. Ik heb nooit begrepen waarom het @salkinstitute hun Harnessing Plant Initiative op dit uitgangspunt heeft gebaseerd.”

Busch erkende in een interview dat "er geen onbreekbaar biomolecuul is." Maar, onder vermelding van gepubliceerde papieren over de weerstand van suberin tegen ontbinding zei hij: "We zijn nog steeds erg optimistisch als het gaat om suberin."

Hij merkte ook een tweede initiatief op dat Salk-onderzoekers volgen, parallel aan het verbeteren van suberine. Ze proberen planten te ontwerpen met langere wortels die koolstof dieper in de bodem kunnen afzetten. Onafhankelijke experts zoals Sanderman zijn het erover eens dat koolstof de neiging heeft om langer in diepere bodemlagen te blijven hangen, waardoor die oplossing op potentieel stevigere conceptuele grond komt.

Chory en Busch zijn ook samenwerkingen aangegaan met respectievelijk Berhe en Poffenbarger. Zo gaat Poffenbarger analyseren hoe bodemmonsters met suberinerijke plantenwortels veranderen onder verschillende omgevingsomstandigheden. Maar zelfs die studies zullen geen antwoord geven op vragen over hoe lang suberine blijft hangen, zei Poffenbarger - belangrijk als het doel is om koolstof lang genoeg uit de atmosfeer te houden om de opwarming van de aarde te deuken.

Naast het Salk-project stromen momentum en geld naar andere klimaatprojecten die afhankelijk zijn van koolstofvastlegging en opslag in de bodem op lange termijn. In een toespraak in april tot het Congres, bijvoorbeeld, zei president Biden gesuggereerd boeren betalen om bodembedekkers te planten, die niet worden verbouwd om te oogsten, maar om de grond te voeden tussen aanplant van marktgewassen. Er zijn aanwijzingen dat wanneer de wortels van bodembedekkers kapot gaan, een deel van hun koolstof in de grond blijft - hoewel net als bij suberin, hoe lang het duurt, een open vraag is.

Niet genoeg bugs in de code

Recalcitrante koolstof kan ook de klimaatvoorspelling vervormen.

In de jaren zestig begonnen wetenschappers grote, complexe computerprogramma's te schrijven om de toekomst van het mondiale klimaat te voorspellen. Omdat de bodem zowel koolstofdioxide opneemt als afgeeft, probeerden klimaatmodellen rekening te houden met de interacties van de bodem met de atmosfeer. Maar het mondiale klimaat is fantastisch complex en om de programma's op de machines van die tijd te laten draaien, waren vereenvoudigingen nodig. Voor de bodem maakten wetenschappers een grote: ze negeerden microben in de bodem volledig. In plaats daarvan verdeelden ze de koolstof in de bodem in feite in korte- en langetermijnpools, in overeenstemming met het humusparadigma.

Meer recente generaties modellen, waaronder modellen die het Intergouvernementeel Panel voor klimaatverandering gebruikt voor zijn veelgelezen rapporten, zijn in wezen palimpsests die voortbouwen op eerdere, zei Torn. Ze gaan er nog steeds van uit dat koolstof in de bodem aanwezig is in pools voor de lange en korte termijn. Als gevolg hiervan overschatten deze modellen mogelijk hoeveel koolstof er in de bodem zal blijven hangen en onderschatten ze hoeveel koolstofdioxide ze zullen uitstoten.

Afgelopen zomer heeft een studie gepubliceerd in NATUUR onderzocht hoeveel koolstofdioxide vrijkwam toen onderzoekers de grond in een Panamese regenwoud kunstmatig opwarmden om de langetermijneffecten van klimaatverandering na te bootsen. Ze ontdekten dat de verwarmde grond 55% meer koolstof vrijmaakte dan nabijgelegen onverwarmde gebieden - een veel grotere afgifte dan voorspeld door de meeste klimaatmodellen. De onderzoekers denken dat microben in de bodem actiever worden bij warmere temperaturen, wat leidt tot een toename.

De studie was vooral ontmoedigend omdat het grootste deel van de koolstof in de bodem zich in de tropen en de noordelijke boreale zone bevindt. Desondanks zijn toonaangevende bodemmodellen gekalibreerd op resultaten van bodemonderzoek in gematigde landen zoals de VS en Europa, waar de meeste onderzoeken in het verleden zijn gedaan. "We doen het behoorlijk slecht op hoge breedtegraden en in de tropen," zei Lehmann.

Zelfs gematigde klimaatmodellen moeten worden verbeterd. Torn en collega's meldde eerder thisyear dat, in tegenstelling tot de voorspellingen, diepe bodemlagen in een bos in Californië ongeveer een derde van hun koolstof vrijgaven als ze vijf jaar werden verwarmd.

Uiteindelijk, zei Torn, moeten modellen de bodem voorstellen als iets dat dichter bij wat het eigenlijk is: een complexe, driedimensionale omgeving die wordt bestuurd door een hyperdiverse gemeenschap van koolstof-opslokkende bacteriën, schimmels en andere microscopische wezens. Maar ook kleinere stappen zouden welkom zijn. Alleen al het toevoegen van microben als een enkele klasse zou voor de meeste modellen een grote vooruitgang zijn, zei ze.

Vruchtbare grond

Als het humusparadigma ten einde loopt, wordt de vraag: wat komt ervoor in de plaats?

Een belangrijke en lang over het hoofd geziene factor blijkt de driedimensionale structuur van het bodemmilieu te zijn. Wetenschappers beschrijven de bodem als een wereld op zich, met het equivalent van continenten, oceanen en bergketens. Deze complexe microgeografie bepaalt waar microben zoals bacteriën en schimmels heen kunnen en waar niet; tot welk voedsel ze toegang kunnen krijgen en wat verboden is.

Een bodembacterie "is misschien maar 10 micron verwijderd van een groot stuk organisch materiaal waarvan ik zeker weet dat ze het graag zouden afbreken, maar het is aan de andere kant van een cluster van mineralen", zei Pett-Ridge. "Het is letterlijk alsof het aan de andere kant van de planeet is."

Een ander gerelateerd en slecht begrepen ingrediënt in een nieuw bodemparadigma is het lot van koolstof in de bodem. Onderzoekers geloven nu dat bijna al het organische materiaal dat in de bodem terechtkomt, verteerd zal worden door microben. "Nu is het echt duidelijk dat organische stof in de bodem slechts een losse verzameling plantaardig materiaal is in verschillende mate van afbraak", zei Sanderman. Sommige zullen dan als koolstofdioxide in de atmosfeer worden ingeademd. Wat overblijft kan worden opgegeten door een andere microbe - en een derde, enzovoort. Of het kan zich binden aan een stukje klei of vast komen te zitten in een bodemaggregaat: een poreuze klomp deeltjes die, vanuit het oogpunt van een microbe, zo groot zou kunnen zijn als een stad en zo ondoordringbaar als een fort. Studies van koolstofisotopen hebben aangetoond dat veel koolstof eeuwen of zelfs langer in de bodem kan blijven hangen. Als humus niet stabiliseert, zijn mineralen en aggregaten dat misschien wel.

Voordat de bodemwetenschap zich op een nieuwe theorie vestigt, zullen er ongetwijfeld nog meer verrassingen zijn. Een kan zijn geweest geleverd onlangs door een groep onderzoekers van de Princeton University die een vereenvoudigde kunstmatige grond construeerden met behulp van microfluïdische apparaten - in wezen kleine plastic kanalen voor het verplaatsen van stukjes vloeistof en cellen. De onderzoekers ontdekten dat koolstof die ze in een aggregaat van stukjes klei stopten, beschermd was tegen bacteriën. Maar toen ze een spijsverteringsenzym toevoegden, werd de koolstof bevrijd van het aggregaat en snel opgeslokt. "Tot onze verbazing had niemand dit verband gelegd tussen enzymen, bacteriën en ingesloten koolstof," zei Howard steen, een ingenieur die de studie leidde.

Lehmann dringt erop aan om de oude dichotomie van stabiele en onstabiele koolstof te vervangen door een "bodemcontinuümmodel" van koolstof in progressieve stadia van ontbinding. Maar dit model en soortgelijke modellen zijn verre van compleet en op dit moment meer conceptueel dan wiskundig voorspellend.

Onderzoekers zijn het erover eens dat de bodemwetenschap zich midden in een klassieke paradigmaverschuiving bevindt. Wat niemand weet, is waar het veld precies zal landen - wat in de volgende editie van het leerboek zal worden geschreven. "We gaan door een conceptuele revolutie", zei Mark Bradford, een bodemwetenschapper aan de Yale University. “We hebben nog niet echt een nieuwe kathedraal. We hebben een hele reeks kerken die zijn opgedoken.”