In-soil CH4 partial pressure and diffusive emissions in flooded soils: effects of labile carbon and microbial inoculation
Questo studio introduce un sistema di bobine di silicone privo di piante per dimostrare che l'apporto di carbonio labile, piuttosto che l'abbondanza di metanogeni, controlla la pressione parziale del metano nel suolo e le emissioni diffusive nei suoli allagati, a condizione che le misurazioni avvengano prima che la formazione di bolle disaccoppi queste variabili.
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Nei campi allagati dove cresce il riso, un silenzioso dramma chimico si svolge sotto la superficie. Quando il suolo viene sommerso, l'ossigeno viene tagliato fuori, creando un ambiente in cui prosperano microbi specifici. Questi microbi, noti come metanogeni, si nutrono di materia vegetale in decomposizione e altri materiali organici, rilasciando metano come prodotto di scarto. Questo gas è un potente gas serra, che contribuisce significativamente al riscaldamento globale. Per decenni, gli scienziati hanno compreso che la quantità di metano rilasciata dipende da tre cose principali: quanto cibo è disponibile per questi microbi, quanti di questi microbi sono presenti e quanto ossigeno si trova nelle vicinanze per fermarli. Le piante di riso svolgono un ruolo complesso in questo processo; le loro radici rilasciano ossigeno nel suolo, il che può sopprimere la produzione di metano, ma forniscono anche un'autostrada per la fuga del gas nell'aria. Per creare varietà di riso che emettano meno metano, i ricercatori devono capire esattamente come questi fattori interagiscono, ma studiarli in un vero campo è difficile perché il suolo non è mai uniforme e le piante stesse complicano le misurazioni.
Per sbrogliare queste variabili, un team di ricercatori ha progettato un esperimento controllato che ha rimosso completamente le piante. Hanno allestito una serie di vasi riempiti con una miscela di sabbia e terreno franco, allagandoli con acqua per simulare una risaia. Inveve di piantare riso, hanno inserito tubi flessibili di silicone in profondità nel terreno. Questi tubi fungevano da sensori artificiali e sistemi di consegna del gas. Poiché il silicone è permeabile ai gas, l'aria intrappolata all'interno del tubo si bilanciava naturalmente con i gas disciolti nell'acqua circostante, permettendo agli scienziati di misurare la pressione del metano che si accumulava nel suolo senza disturbare l'ambiente. Hanno utilizzato questi stessi tubi anche per pompare aria o ossigeno puro nel suolo, simulando il rilascio di ossigeno che le radici del riso normalmente forniscono. Il team ha creato tre diverse condizioni del suolo per testare le loro idee: un terreno di controllo di base, un terreno mescolato con amido di patate per fornire cibo facilmente commestibile per i microbi, e un terreno mescolato con amido più una cucchiaiata di sedimento proveniente da un lago noto per essere ricco di microbi produttori di metano.
I ricercatori volevano vedere se l'aggiunta di più microbi o di più cibo avrebbe cambiato la quantità di metano prodotta e rilasciata. Si aspettavano che il terreno con il sedimento del lago avrebbe avuto il maggior contenuto di metano perché partiva con una popolazione più grande dei microbi giusti. Tuttavia, i risultati hanno raccontato una storia diversa. Sebbene il terreno con il sedimento del lago contenesse effettivamente più microbi produttori di metano, la quantità di gas metano che si accumulava nel suolo era determinata quasi interamente dalla disponibilità di cibo. I vasi con l'aggiunta di amido producevano alti livelli di metano, indipendentemente dal fatto che iniziassero con microbi extra o meno. I vasi senza amido producevano pochissimo, nonostante contenessero alcuni microbi naturali. Questa scoperta suggerisce che in questi suoli allagati, la disponibilità di materia organica fresca e facilmente digeribile è il principale motore della produzione di metano, non il numero iniziale di microbi presenti. Gli scienziati hanno concluso che, una volta stabilito un livello base di microbi, l'aggiunta di altri non aumenta la produzione di metano se non c'è cibo extra per sostenerli.
Lo studio ha anche rivelato un limite critico a come il metano si muove dal suolo all'aria. Per molto tempo, gli scienziati hanno assunto che misurare la pressione del metano nel suolo indicasse direttamente quanto gas stesse sfuggendo nell'atmosfera. I ricercatori hanno scoperto che questo era vero solo quando la pressione del metano era relativamente bassa, specificamente sotto circa 16 kilopascal. In questo intervallo, il gas disciolto nell'acqua si muoveva costantemente verso la superficie. Ma una volta che la pressione superava quella soglia, la relazione si interrompeva. Il metano iniziava a formare bolle all'interno del suolo, risalendo rapidamente ed escapendo a scatti piuttosto che fluire regolarmente. Queste bolle, un processo chiamato ebullizione, significavano che il suolo poteva contenere una enorme quantità di pressione di metano senza rilasciarla attraverso la diffusione costante e lenta che i ricercatori stavano misurando. Infatti, alla fine dell'esperimento, la pressione del suolo era salita a quasi 60 kilopascal in tutti i vasi attivi, eppure il flusso costante di gas dalla superficie era tornato vicino allo zero. Il gas stava semplicemente aspettando di essere rilasciato in scatti improvvisi e non misurati.
Infine, il team ha testato come l'ossigeno influenzasse questo sistema. Pompando aria o ossigeno puro attraverso i tubi di silicone, sono riusciti ad abbassare la pressione del metano nel suolo. Sorprendentemente, pompare ossigeno puro non era più efficace che pompare aria normale; entrambi riducevano la pressione del metano a circa un terzo rispetto ai vasi sigillati. Ciò indica che anche una piccola quantità di ossigeno è sufficiente per fermare i microbi produttori di metano o per incoraggiare altri microbi a mangiare il metano prima che possa sfuggire. L'esperimento ha confermato che il sistema dei tubi di silicone è uno strumento potente per isolare gli effetti dell'ossigeno dagli effetti della disponibilità di cibo. Utilizzando questi tubi artificiali, i ricercatori potevano studiare come l'ossigeno si muove nel suolo senza la complicazione delle vere radici delle piante che forniscono il proprio cibo o cambiano la struttura del suolo.
Le implicazioni di queste scoperte sono significative per gli sforzi volti a selezionare varietà di riso migliori. Lo studio suggerisce che, quando si esaminano nuove varietà di riso per le basse emissioni di metano, gli scienziati dovrebbero concentrarsi sulla misurazione delle condizioni del suolo prima che la pressione del metano diventi abbastanza alta da formare bolle. Se le misurazioni vengono effettuate troppo tardi, i dati saranno fuorvianti perché il gas sta sfuggendo a scatti invece di fluire costantemente. Inoltre, la ricerca indica che i tratti più importanti da cercare nelle radici del riso non sono necessariamente la velocità con cui rilasciano ossigeno, ma piuttosto quanta superficie hanno per interagire con il suolo e quanto sono forti le loro barriere nel controllare tale scambio. Lo studio chiarisce anche che aggiungere semplicemente più microbi produttori di metano in un campo non aumenterà necessariamente le emissioni se la disponità di cibo è limitata, e viceversa, che la presenza di questi microbi non è il fattore limitante quando il carbonio organico fresco è abbondante. Comprendendo questi specifici limiti e driver, gli scienziati possono sviluppare modelli e programmi di selezione più accurati per ridurre l'impatto climatico della coltivazione del riso.
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