Akkers op een koolhydraat-arm dieet.





Breaking down the microbiology world one bite at a time


Akkers op een koolhydraat-arm dieet.

Niet voor niets heet onze planeet “moeder aarde.” Ondanks de uitgestrekte zeeën en oceanen die de planeet omsluiten, vinden in aardoppervlakken belangrijke processen plaats voor het reguleren van het klimaat op aarde, én komt ons eten hoofdzakelijk van het land. De hoofdrolspeler in deze gigantische processen is het bodemleven (1).

Een duidelijk beeld scheppen van ‘het bodemleven’ is haast onmogelijk. Uiteenlopende ecosystemen, en de verschillende bodemsoorten binnen die ecosystemen, maken veel uit voor het leven wat je aantreft. Daarbovenop zit in één bodemsoort geen homogene bacteriecultuur, maar liggen communes van allerhande bacteriën op een millimeter afstand van elkaar. Verder maakt het nog uit welke plantensoorten hun wortels, of welke diersoorten hun hol in de buurt hebben – en zuurgraad, zoutsterkte, beschikbaarheid van zuurstof, water, predatiedruk, nutriënten-concentraties… Een enorme lijst met factoren dus! Alles tezamen bepalen ze de samenstelling van het microbioom in de grond, en daarmee de metabole functies die in de grond te vinden zijn (1). Tussen al deze factoren vonden wetenschappers een verontrustende trend in de nutriënten-waarden van de akkers in de wereld: het gehalte koolstof in de grond daalt (2).

Wat is er precies aan de hand? Als we de geldende opvattingen moeten geloven, is het bodemleven voornamelijk  afhankelijk van “organische koolstof – meestal in de vorm van bijvoorbeeld half-verteerde plantenresten. Het bodemleven verteert dit naar het donkere, koolstof-rijke humus. Niet “hummus” zoals de beroemde kikkererwten-pasta – je spreekt het uit als /hymʏs/. Maar zoals dit gerecht komt het in grote hoeveelheden, houdt het goed vocht vast en is het een uitstekende bron van voedingsstoffen.

De totale hoeveelheid koolstof in de grond, dat men met het Engelse soil organic carbon aanduidt, wordt in de landbouw als waarde voor de stabiliteit van het bodem-ecosysteem gehanteerd. Deze stabiliteit wordt aangetast door pesticiden en overbemesting, maar ook houtkap stoort de uitwisseling van koolstof in de lucht en in de aarde. En de koolstof die in de grond mist, is in de lucht terecht gekomen als CO2, waarmee het broeikasgaseffect versterkt wordt en op deze manier direct bijdraagt aan klimaatverandering (2).  

Figuur 1.  Koolstofcyclus in de bodem. Afbeelding overgenomen zonder aanpassingen van Ontl, T. A. & Schulte, L. A. (3)

Gelukkig is er ook anorganische koolstof (d.w.z., CO en CO2) in de grond. Het kan dienen als alternatieve koolstofbron voor het bodemleven. Tot voor kort dacht men dat anorganische koolstofbronnen slechts door een paar zeldzame bacteriën in extreem koolstof-arme bodems gefixeerd konden worden tot organische koolstof (1, 4).

Om de rol van het bodemleven bij anorganische koolstoffixatie beter te begrijpen, heeft het team van Sean Bay het metagenoom van bodemmonsters uit vier Australische ecosystemen gesequenced. Daarmee krijgen we een kijkje in alle genen, en daarmee alle chemische functies, die het bodemleven tot haar beschikking heeft in de bodemsystemen ‘moeras’, ‘grasland’, ‘bos’ en ‘woestijn’. De onderzoekers vonden 26 stammen van bacteriën en 5 stammen archaea (dat betekent dat de diversiteit enorm is). Ongeveer de helft van de gevonden organismen zijn wereldwijd verspreid, de andere helft is lokaler te vinden. 72% van de gevonden organismen beschikten over genen die onder anaerobe (ofwel zuurstofloze) omstandigheden CO konden gebruiken als energiebron (Figuur 2).

Figuur 2. Een figuur met verschillende bacteriele stammen die waterstofgas, carbonmonoxide en andere metaalsporen van de grond kan fixeren. De rode figuren zijn enzymen en de verschillend gekleurde stippen zijn de verschillende bacteriele phyla. Deze figuur is gebruikt zonder aanpassingen en zonder toestemming van de auteur (5).

In alle grondmonsters werd ook daadwerkelijk CO-consumptie gemeten. Bay’s team stelde hun grondmonsters bloot aan CO en H2. Bij deze twee gassen werd een tot vijf keer grotere omzetting gemeten dan eerder gemeten (in de monsters uit het moeras, grasland en bos). Dat de droge woestijngrond relatief minder CO consumeert dan de andere (nattere) monsters, wordt verweten aan het lagere vochtgehalte in dit ecosysteem. Dit past in het plaatje dat het merendeel van de bodembacteriën o.a. het DNA bevat om twee (klassen van) enzymen te maken: de CO-dehydrogenasen en hydrogenasen. De eerste katalyseert de reactie van CO en H2O naar CO2 en H2. De tweede kan de geproduceerde H2 dan gebruiken als de “echte” energieleverancier.

De onderzoekers geloven dat deze manier van energie winnen alleen voor noodsituaties bedoeld is. De bacteriën zouden voornamelijk afhankelijk zijn van organische koolstofbronnen, maar dit trucje met een anorganische koolstofbron helpt de bacteriën overleven in hun onvoorspelbare habitat. Om deze hypothese te testen, maakten Bay en collega’s een computermodel om uit te vinden hoeveel energie een cel kan ‘verdienen’ met CO. Uit dit model blijkt dat er net genoeg CO in de lucht zit om een gemiddelde cel in leven te houden, maar niet om te groeien of delen. Daarbij gaan de onderzoekers ervan uit dat een aantal andere variabelen gunstig voor de bacterie zijn, bijvoorbeeld dat er ruim water voorhanden is. Hoeveel energie er beschikbaar is in zo’n cel in haar “slapende” staat, zie je in Figuur 3.

Figuur 3: Resultaten van het computermodel. Op de Y-as zie je de energie (in Watt) die één cel tot haar beschikking heeft, die op de X-as is uitgesplitst naar de verschillende bodemsoorten. De groene, oranje en paarse blokken geven drie gassen weer, waar de cellen energie uit kunnen halen (wij schrijven verder niet over CH4 – dat is weer een ander verhaal). In andere onderzoeken werd bepaald hoeveel energie zuivere bacterieculturen nodig hebben om te overleven – die staan, ter vergelijking, links weergegeven voor bodemleven (groen, geel, blauw) en een diepzee-geiser (roze). Deze afbeelding is overgenomen uit het originele artikel (4).

Het gepubliceerde artikel beschrijft dat de complete bacteriële samenleving in de bodem niet alleen de anorganische koolstof voor zichzelf kan gebruiken, maar ook ten dienste van de mens kan staan. Vanwege de problematische toename van CO2 en andere broeikasgassen in de atmosfeer (zoals de andere gassen waarover we hier schrijven), kunnen we alle manieren om koolstof op te slaan goed gebruiken.

De bekendste manier om koolstof uit de lucht op te slaan is de fotosynthese. De truc hier, zoals je misschien wel weet, is het omzetten van CO2 en water naar een suikermolecuul met zes koolstofatomen met behulp van (zon)licht. Grootschalige ontbossing van regenwouden perkt de effectiviteit van koolstofopslag via deze weg sterk in. Gelukkig blijken een aantal bodembacteriën het DNA te bevatten om een vergelijkbaar proces aan te kunnen drijven – weliswaar niet met zonlicht, maar met een chemische energiebron. Deze chemosynthese gebruikt anorganische koolstof uit de lucht dat wordt vastgelegd als organische koolstof in de bacteriën. Vaak wordt dit proces als “automatisch” gezien – maar wij weten beter, het zijn de bacteriën die het doen!

Deze manieren van anorganisch koolstof-gebruik zijn spannend, maar de realiteit is ook dat dit soort gassen maar heel minimaal in de atmosfeer voorkomen en dus ook snel zijn opgebruikt. Dieper in de aarde reiken deze gassen waarschijnlijk niet. De kans dat deze bacteriën helemaal zonder organische koolstofbron zouden kunnen leven, is dus erg klein. Wie weet kunnen grote boeren met weinig koolstof in hun bodem speciale beluchtingstechnieken gebruiken om de bodembacteriën zoveel mogelijk anorganische koolstof op te laten nemen (4).

Figuur 4: beluchtingstechnieken om extra koolstof in de bodem op te slaan. Bron: https://www.diamondlandscaping1.com/copy-of-mulching

De nieuwe ontdekkingen rondom koolstofbronnen van het bodemleven zijn enerverend! De veerkracht en het doorzettingsvermogen van deze bacterie-populaties maken onze bodems een van de meest dichtbevolkte plekken op aarde, en de popsterren van onze wereldwijde voedselvoorziening. Voordat we onze kennis kunnen toepassen om het koolstofgehalte in onze akkers weer effectief omhoog te kunnen krikken, zullen de bacteriën nog even van rijke humus moeten dromen…


Link naar het originele artikel:


Vertaald door: Charlotte van de Velde