A window to the soil: Microchips reveal Soil Carbon dynamics
- Reference number
- FFL18-0089
- Project leader
- Hammer, Edith
- Start and end dates
- 200401-250331
- Amount granted
- 12 000 000 SEK
- Administrative organization
- Lund University
- Research area
- Life Science Technology
Summary
Soil is an important player in the global carbon budget. It is a carbon pool that underlies direct anthropogenic influence through land use and climate change, both of which may disequilibriate the processes that release or sequester CO2 in soils, which could either mitigate or severely aggravate global warming. Decomposition of soil organic matter is governed by microbial processes, which are not sufficiently well understood, especially not in the structural matrix of the soil pore space they live in. My group recently developed lab model habitats produced with microfluidic techniques that we call “soil chips” which enable us to study the effect of microscale structure soil processes live at the microbial scale. In this proposed project I want to refine and elaborate chips with help of nanoCT data from real soil aggregates, include motile elements and chemical heterogeneity and optical windows for in-situ spectroscopy. With the new chips we want to better understand the phenomenon of “hidden” organic matter in the soil pore space, and the process that builds this structure: soil aggregation. We also aim to create a soil organic matter diagnosis chip that can be used to test soil health via its decomposer activity. Our project will improve the mechanistic understanding the carbon cycling, to help us predict and mitigate CO2 emissions. It will give us important arguments to promote soil-carbon storage preserving cultivation techniques for a sustainable agriculture.
Popular science description
Stigande koldioxidhalter i atmosfären förändrar världens klimat och hotar inte bara vårt välstånd utan hela vår tillvaro. Förutom att motverka nya utsläpp av koldioxid kommer vi behöva ta bort en del av CO2-överskottet från atmosfären. Det finns olika idéer för hur man skulle kunna lagra CO2 långsiktigt, men det finns även ett naturligt CO2-lager som ligger närmare till hands - marken. Marken är jordens största kolförråd, större än atmosfären och alla växter och djur tillsammans. Här ansamlas organiskt material av döda organismer som antingen bryts ned tämligen omgående, eller stannar kvar i månader, år eller t.o.m. århundraden. Nedbrytningsförloppet beror på hur lätt det är för mikroorganismerna att få tag i materialet, som kan vara undangömt i markstrukturen. Vi ska utveckla mikrofabricerade ”jordchip” som gör att vi kan studera markens mikroorganismer i realtid med ett mikroskop. Denna teknologi används inom medicin och bioteknologi, men är ny för att studera bakterier, svampar och små organismer i jorden. Vi har tidigare utvecklat en prototyp av ett sådant chip, som visat väldigt lovande preliminära resultat. Chippen fungerar som ett fönster till jorden, som gör det möjligt att observera jordorganismer samt de processer de styr i en autentisk miljö. Detta är ett stort framsteg eftersom det annars är svårt att se och studera processerna i marken. Vi vill förstå hur jordens strukturer bildas och hur kolet kan bli undangömt i komplexa labyrinter i markens struktur. Vi vill nu bygga mer realistiska mikrostrukturer med hjälp av datatomografidata från verkliga jordaggregat, inkludera rörliga strukturer i chippen, småskaligt fördelade näringsdepåer, och lägga till fönster så att vi ska kunna mäta kemiska förändringar via spektroskopi. I chippen kan vi studera mikroorganismernas tillväxt, koltransport, och även nedbrytning av organiskt material, live exakt där processerna händer. Vi vill även på sikt utveckla ett fält-testchip som ska användas som diagnosverktyg för markens hälsa. Mot projektets slut kommer vi mycket bättre förstå vilka sorters markstrukturer som ökar jordens kolförråd, kommer då kunna översätta det till rekommendationer till jord- och skogsbruket om hur de bäst ska bruka marken. En ökning av jordens kolförråd med bara 4‰ årligen skulle kunna utjämna alla mänskliga fossilutsläpp – en stor chans att begränsa och motarbeta klimatförändringar.