Biochar — это древесный уголь, который производится — обычно из древесных отходов, навоза или листьев — для использования в качестве почвенной добавки. Исследования показали, что biochar может улучшить как питательные, так и водоудерживающие свойства почвы, но его популярность в последние годы также обязана его способности сокращать парниковые газы за счет хранения углерода в почве, в некоторых случаях на протяжении многих столетий.Новое исследование, опубликованное в этом месяце в журнале Environmental Science and Technology, является первым исследованием того, как biochar влияет на химические сигналы, которые обычно используются почвенными микроорганизмами, взаимодействующими с растениями.«Комнатное растение может выглядеть умиротворенным, но на самом деле в этом горшке происходит много разговоров», — сказал соавтор исследования Джофф Силберг, доцент кафедры биохимии, клеточной биологии и биоинженерии в Райс. «На самом деле, в почве происходит так много разных разговоров, что для нас было непрактично точно определить, как biochar влияет только на один из них».
Таким образом, Сильберг и его коллеги использовали инструменты синтетической биологии — и усовершенствованную экспериментальную установку, которую Сильберг изначально разработал с запасными кубиками Lego своего сына — чтобы создать ситуацию, в которой имел место только один микробный разговор и где влияние биочара на этот разговор могло быть измеряется.Это последнее исследование междисциплинарной исследовательской группы Biochar, созданной Райс после урагана «Айк» в 2008 году, когда город Хьюстон предложил идеи о том, как избавиться от примерно 5,6 миллиона кубических ярдов поваленных деревьев, сломанных веток и мертвых деревьев. зелень, оставленная штормом. Группа Rice Biochar выиграла главный приз в размере 10 000 долларов в городском конкурсе «Recycle Ike» и использовала деньги для запуска широкомасштабной исследовательской программы, которая с тех пор получила поддержку от Национального научного фонда, Министерства энергетики, Инициативы факультета Райса.
Фонд, Центр устойчивости Райс Шелл и Институт биологии и биоинженерии Райса.Исследование клеточной сигнализации выросло из предыдущего исследования, проведенного одним из основателей группы, Кэрри Масиелло, доцентом кафедры наук о Земле.
Масиелло и другой член группы, биолог риса Дженнифер Руджерс (ныне работающая в Университете Нью-Мексико), изучали комбинированные эффекты добавления в почву биоугля и питательных веществ. Во всех случаях, кроме одного, biochar и питательные вещества, казалось, усиливали друг друга. За единственным исключением, почвенный гриб, который обычно был полезен для растений, начал расти так быстро, что препятствовал росту растений.
«Все эти организмы в гораздо большей степени, чем мы, вероятно, понимаем, постоянно разговаривают друг с другом», — сказал Силберг. «Микробы разговаривают с микробами. Микробы разговаривают с растениями. Растения разговаривают с микробами.
И каждый из них принимает решения о своем поведении на основе этих разговоров. Когда мы начали говорить об этих результатах, моей первой мыслью было:« Вы, вероятно, мешаете беседа.’"Не было практического способа изолировать разговор, которому, вероятно, мешали в предыдущем эксперименте, но Силберг придумал способ создать искусственно созданных микробов, чтобы проверить идею о том, может ли biochar мешать такому разговору.
Его лаборатория началась с работы с Мэттом Беннеттом, доцентом кафедры биохимии и клеточной биологии в Райсе, над использованием двух адаптированных форм бактерий E. coli, созданных аспирантом Райса Чен Е. Один штамм «разговаривал» с типом химической коммуникации, обычно используемый почвенными микробами, а другой «слушал». В отличие от грибов, которые используют этот метод коммуникации в почве, кишечную палочку можно было выращивать в прозрачных агаровых гелях в чашке Петри, что означало, что исследователям было легче наблюдать за ними под микроскопом. Затем команда вставила гены флуоресценции в каждый организм, из-за чего они светились разными цветами — красным при разговоре и зеленым при слушании.
«Нам нужен был способ провести два эксперимента в одной и той же посуде, в одном из которых biochar мог помешать разговору, а в другом — нет», — сказал Силберг.Работая с лего своего сына, Силберг сконструировал пару прямоугольных платформ, которые располагались параллельно в блюде на расстоянии примерно одного дюйма друг от друга. Добавляли агар, чтобы заполнить все части чашки, за исключением участков, заблокированных кирпичами.
Как только гель агара затвердел, прямоугольные платформы удаляли, чтобы создать две пустые параллельные желоба. Один из них был заполнен прозрачным агаром, а другой — агаром, содержащим biochar.
В середину чашки добавляли «говорящие» организмы, а «слушателей» размещали на противоположной стороне каждого желоба.Аспирант Шелли Сяо-Ин Ченг усовершенствовала конструкцию конструктора Lego Силберга и использовала инструменты компании Rice’s Oshman Engineering Design Kitchen, чтобы создать набор прочных платформ для повторных испытаний.
Затем группа провела десятки микроскопических тестов с Дэном Вагнером, доцентом Райса по биохимии и клеточной биологии, чтобы увидеть, как различные составы и количества биочара влияют на передачу сигналов клеток.«В каждом случае мы наблюдали значительно меньше зеленого света с противоположной стороны biochar, что означало, что кишечная палочка на этой стороне плохо слышала отправителя», — сказал Силберг. «Это подтвердило нашу гипотезу о том, что biochar может вмешиваться в передачу сигналов клеток, скорее всего, путем связывания с молекулами жирных кислот, которые дикторы использовали для передачи своего сообщения».Команда обнаружила, что biochar, созданный при более высоких температурах, в 10 раз эффективнее прерывает разговоры.
Исследователи заявили, что это открытие было значительным, поскольку оно согласуется с результатами исследования Масиелло в 2012 году, в котором было обнаружено, что биочар, созданный с помощью высокотемпературных процессов, более эффективно удерживает воду и питательные вещества.«Биочар можно производить с помощью процессов, которые варьируются от 250 до 1000 градусов по Цельсию, и появляется все больше свидетельств того, что температура может резко повлиять на конечные свойства», — сказал Масиелло. «В конечном счете, мы хотели бы создать простое руководство, которое люди могут использовать, чтобы адаптировать свойства своего biochar».
Силберг добавил: «Некоторые микробы помогают растениям, а другие вредны. Это означает, что в почве одновременно происходит хорошее и плохое общение. проверить эту идею и, если возможно, найти способ адаптировать biochar к желаемому микробному разнообразию ».