Nguồn cacbon và sự sống diễn ra trong đất

Như đã biết ở bài viết trước “Làm sao chúng ta có thể giảm bớt khí nhà kính ra khỏi bầu khí quyển?” (link to 8.h.2), đất rất háo cacbon và có khả năng lưu trữ tất cả lượng cacbon từ khí nhà kính trong bầu khí quyển. Nhưng nếu cacbon được tiêu thụ trong đất rất nhanh chóng, thì tại sao nó không nhanh chóng biến mất?

Sự quang hợp

Câu trả lời là do thực vật không ngừng tiếp thêm cacbon vào đất. Kể từ quá trình tiến hóa của chúng 3,5 tỷ năm trước đây, thực vật đã phát triển nhờ sử dụng khả năng đáng nể của chúng để chuyển hóa cacbon từ không khí đi vào các vật chất sống. Quá trình này, tất nhiên, được gọi là quang hợp, đã được giảng dạy cho hầu hết các em học sinh.

Quá trình quang hợp có nguyên tắc hoạt động như sau: các phân tử chất diệp lục trong lá cây cho phép chúng hấp thụ năng lượng từ ánh sáng và sử dụng năng lượng đó để phá vỡ các phân tử nước (H₂O) thành nguyên tử hydro và oxy. Thực vật sau đó giải phóng oxy dưới dạng phân tử oxy (hai nguyên tử oxy liên kết với nhau – O₂) trở lại không khí và tạm thời lưu trữ các nguyên tử hydro. Trong giai đoạn thứ hai của quá trình quang hợp, các nguyên tử hydro được liên kết với các phân tử khí cacbonic (CO₂) để tạo ra các hợp chất carbohydrate đơn giản như đường glucose C₆H₁₂O₆.

Quá trình này, giống như tất cả các phản ứng hóa học, tùy thuộc vào sự sẵn có của các thành phần cần thiết. Vì khí cacbonic có mặt trong khí quyển ở một nồng độ rất thấp (bây giờ là 0,04%) nên nó thường là yếu tố hạn chế  (yếu tố quyết định tốc độ) của quá trình này. Ở nồng độ cao hơn của khí cacbonic, sẽ có nhiều năng lượng hơn được tạo ra từ ánh sáng và nhiều nước được cây sử dụng hơn để tăng quá trình tổng hợp carbohydrate. Trong những tình huống khác, như vào ban đêm hoặc trong một đợt hạn hán, ánh sáng hoặc nước có thể là yếu tố hạn chế (yếu tố quyết định tốc độ).

Quy mô của quá trình này rất đáng kinh ngạc. Một mẫu lúa mì trong một năm có thể hấp thu 8.900 pound (khoảng 4.036 kg) cacbon ở dạng khí cacbonic, kết hợp chúng với nước, và chuyển hóa chúng thành đường. Đường tạo thành sẽ nặng 22.000 pound (khoảng gần 10.000 kg). Quá trình này mạnh đến nỗi khoảng 15% của tất cả các khí cacbonic trong không khí được chuyển hóa qua quá trình quang hợp của sinh vật mỗi năm.

Dịch tiết của rễ cây

Quang hợp, tất nhiên, mang đến một vai trò đặc biệt trong cuộc sống cho thực vật và các sinh vật có khả năng quang hợp khác như tảo lục. Tất cả các sinh vật sống đều dựa trên cacbon, và cần phải tiêu thụ cacbon để tồn tại. Nếu bạn có thể hấp thu cacbon từ không khí như thực vật, bạn có lợi thế lớn. Nhưng ngay cả khi bạn không có khả năng tạo ra các hợp chất cacbon (như thực vật), bạn vẫn cần phải có chúng.

Làm cách nào khác để vi khuẩn trong đất có thể có được cacbon? Chúng có thể “làm ra” nó!

Một trong những điều đáng kinh ngạc hơn mà các nhà khoa học về đất đang tìm hiểu về thực vật và sinh vật đất là chúng dường như đã đồng tiến hóa trong một mối quan hệ cộng sinh (hai bên cùng có lợi).

Khi thực vật quang hợp và tạo ra carbohydrate trong lục lạp, chúng sử dụng một phần các hợp chất này cho tế bào và cấu trúc của chúng, và đốt một phần để lấy năng lượng cần cho cuộc sống của chúng. Nhưng chúng cũng “rò rỉ” hoặc tiết ra một lượng đáng kể các hợp chất này dưới dạng “cacbon lỏng” vào trong đất. Các con số ước tính khác nhau nhưng khoảng 20-40% lượng cacbon mà thực vật cố định nhờ quá trình quang hợp được chuyển cho vùng bầu rễ (vùng đất bao bọc chung quanh rễ cây).

Tại sao cây lại “rò rỉ” nhựa chứa đường vào đất?

Để làm mồi nhử.

Những vi khuẩn, nấm và các sinh vật đất khác cần thức ăn sẽ nhanh chóng xuất hiện để ăn lấy ăn để các dịch tiết ngon lành từ rễ có chứa cacbon. Nhưng chẳng bao lâu sau chúng sẽ muốn nhiều hơn nữa – và cách tốt nhất để có được là chúng sẽ hỗ trợ cây tạo ra nhiều thức ăn hơn nữa. Nếu cây khỏe mạnh, nó có thể dành nhiều nguồn lực để quang hợp và tạo ra nhiều cacbon hơn. Vì vậy, các vi khuẩn trong đất sẽ giúp cây bằng nhiều cách khác nhau để cây phát triển mạnh và tạo ra nhiều cacbon lỏng hơn.

Khi chúng ta biết nhiều hơn về sinh hóa đất, chúng ta đã phát hiện ra rằng, thông qua dịch tiết của rễ, cây có quyền năng kiểm soát phần lớn môi trường chung quanh chúng như là: điều chỉnh cộng đồng vi sinh vật đất chung quanh, đối phó với các động vật ăn cỏ, “mua” các lô hàng “chất dinh dưỡng” từ nơi khác, thay đổi thuộc tính hóa học và vật lý của đất chung quanh và ức chế sự phát triển của các loài cây cạnh tranh.

Sự cộng sinh của vi sinh vật

Cần phải nói rằng có rất nhiều những điều được trình bày sau đây vẫn còn đang được nghiên cứu. Đất là một lĩnh vực nghiên cứu vẫn còn nhiều điều chưa được hiểu hết. Các cộng đồng vi khuẩn trong đất rất đa dạng – từ 90 đến 99% các loài vi sinh vật trong đất chưa thể được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm với công nghệ hiện tại.

Vi khuẩn và nấm chiếm hơn 90% cộng đồng vi sinh vật trong đất tính theo khối lượng. Tỷ lệ chính xác giữa hai loại vi sinh vật này có thể thay đổi. Đất chưa bị khai phá như đồng cỏ và rừng sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho nấm do có các hệ sợi của nấm không bị xáo trộn. Tuy nhiên việc trồng trọt hoặc sử dụng phân bón nitơ tổng hợp làm giảm quần thể nấm.

Một yếu tố quan trọng cho sự thành công của vi sinh vật là có môi trường vật lý kế cận để bảo vệ chúng hay không. Sự bảo vệ này có thể do đất sét vì các nhà khoa học nghĩ rằng đất sét có thể duy trì độ pH tối ưu, hấp thụ các chất chuyển hóa có hại và/hoặc ngăn chặn sự khô hạn. Những lỗ nhỏ (để “ẩn nấu”) trong chất nền cũng được cho là để ngăn chặn sự săn mồi bởi những sinh vật lớn hơn như protozoa đối với những sinh vật nhỏ hơn. Có báo cáo ghi nhận rằng những sinh vật được bảo vệ chỉ chết ở tỷ lệ ít hơn 1% mỗi ngày, trong khi có đến 70% những sinh vật không được bảo vệ chết hàng ngày.

Vi khuẩn

Vi khuẩn là nhà hóa học tuyệt vời. Một nhóm vi khuẩn được gọi là vi khuẩn vùng rễ kích thích sự tăng trưởng của cây (plant growth-promoting rhizobacteria – PGPR), đã dùng phép màu của chúng giúp cho cây thông qua một số con đường hóa sinh học. Một số có thể “cố định” nitơ từ không khí, chuyển nó thành dạng mà cây hấp thu được. Những loài vi khuẩn khác có thể tổng hợp hormone thực vật (phytohormone) hỗ trợ các giai đoạn sinh trưởng của cây. Những loài khác còn có thể chuyển hóa photphat, một chất dinh dưỡng thiết yếu nhưng tương đối kém hòa tan, và chuyển thành dạng cây hấp thu được, hoặc sản sinh chất diệt nấm tự nhiên để hỗ trợ cây chống lại bệnh nấm. Một loài PGPR đã được phân lập từ nhiều loài thực vật phổ biến bao gồm lúa mì, cỏ ba lá trắng và tỏi. Vi khuẩn này sản sinh các loại kháng sinh khác nhau, những hoạt chất tiêu diệt mầm bệnh và giúp cây chống lại bệnh tật.

Nấm mốc

Một ví dụ khác về sự cộng sinh của vi sinh vật là các loại nấm rễ cộng sinh (arbuscular mycorrhizal fungi). Trong hình thức cộng sinh này, nấm mốc phát triển ở hai môi trường khác nhau: rễ của cây chủ và đất xung quanh. Chúng kết nối hai môi trường này bằng các sợi nấm dài của chúng. Điều này cho phép các cây chủ tăng sự hấp thu nước và chất khoáng dọc theo các sợi nấm. Mối quan hệ này đã được ghi nhận cho nhiều khoáng chất, bao gồm phốtpho, nitơ, kẽm và đồng. Theo một số ước tính, hơn 90% thực vật trên cạn hưởng lợi từ hình thức kết hợp này với nấm rễ cộng sinh.

Một số nhà khoa học ước tính rằng 85-90% các chất dinh dưỡng thực vật cần có được là nhờ sự trao đổi cacbon: dịch tiết của rễ cung cấp năng lượng cho vi sinh vật để đổi lấy khoáng chất hay các nguyên tố vi lượng khác mà cây cần.

Những mối quan hệ này có lợi cho cả hai bên mà lại miễn phí. Năng lượng duy nhất cần thêm sẽ được ánh sáng mặt trời cung cấp, nhờ đó cây mọc khỏe hơn để sản xuất thêm nhiều hợp chất, cung cấp năng lượng và hỗ trợ các vi sinh vật.

Khối “kết cấu đất” (soil aggregate)

Một vấn đề quan trọng khác là kết cấu của đất, còn được gọi là “soil aggregate” (kết cấu đất). Nếu bạn nắm chặt một nắm đất tốt, sau đó thả tay ra, số đất này sẽ trông giống như một chùm những hạt đậu. Những chùm này được gọi là khối “kết cấu đất”. Nếu đất vẫn giữ trạng thái như những khối đá cứng, thì điều đó chứng tỏ đất không được kết cấu tốt. Kết cấu đất đủ bền để kháng lại xói mòn bởi gió và nước, nhưng lại đủ xốp để cho không khí, nước và rễ cây đi qua khối đất.

“Kết cấu đất” là đơn vị chức năng cơ bản của đất, đóng vai trò tương tự như bộ rễ chùm của cây họ đậu, tạo ra một khoảng không gian được bảo vệ. “Kết cấu đất” được hình thành nhờ những hệ sợi của nấm rễ (mycorrhiza fungi), tạo thành những “túi được đan bởi các sợi dính chặt” giúp bao bọc và bện chặt các khối đất nhỏ. Những hợp chất cacbon dạng lỏng tiết ra từ rễ cây hoặc nấm mốc giúp sản sinh ra các hợp chất dạng keo hoặc gum để tạo thành lớp tường bảo vệ cho các khối “kết cấu đất”.

Bên trong những bức tường bảo vệ này luôn có các hoạt động sinh học được diễn ra, được tiếp năng lượng bởi dịch cacbon tiết ra. Hầu hết các khối “kết cấu đất” được nối kết với rễ cây, thường là các rễ chính nhỏ nuôi cây, hoặc nối kết với mạng lưới nấm rễ mycorrhiza, nhưng những sợi nấm này thường rất nhỏ không thể thấy được bằng mắt thường. Hàm lượng ẩm bên trong những khối “kết cấu đất” thường cao hơn bên ngoài, và áp lực oxy thì thấp hơn. Đây là những đặc tính quan trọng cho phép quá trình cố định khí nitơ và các hoạt động sinh hóa diễn ra.

Một trong những hợp chất keo quan trọng giúp tạo nên khối “kết cấu đất” là một loại glycoprotein được gọi là “glomalin”. Glomalin và độ bền của “kết cấu đất” có quan hệ chặt chẽ với nhau. Được phát hiện ra từ năm 1996, glomalin ngày nay được tin là đóng góp khoảng 27% vào hàm lượng cacbon trong đất và có thể tồn tại hơn 40 năm, tùy vào điều kiện khác nhau. Glomalin được tạo thành bởi hệ nấm rễ cộng sinh (arbuscular mycorrhizal fungi), sử dụng nguồn cacbon lỏng tiết ra từ cây. Nó giúp cho hệ sợi của nấm có thể kết dính vào rễ cây và các khối đất nhỏ, và tạo cầu nối qua các khoảng không khí.

Ngày nay chúng ta đã hiểu biết nhiều hơn về đất và cách mà cacbon được cung cấp vào đất bởi cây xanh để thúc đẩy quan hệ cộng sinh với vi sinh vật, chúng ta có thể đặt ra câu hỏi:

“Chúng ta có thể lưu trữ đủ lượng cacbon cho đất với tốc độ nhanh như thế nào để làm giảm vấn đề về thời tiết khắc nghiệt?”

Mời bạn đón đọc bài tiếp theo Tốc độ lưu trữ cacbon cần có cho đất để giảm vấn đề về thời tiết khắc nghiệt? (link to 8.h.4)

Tài liệu tham khảo

Jack Kittredge, Soil Carbon Restoration: Can Biology do the Job?, Northeast Organic Farming Association/Massachusetts Chapter, Inc. August 14, 2015