Fronteiras em Ciência Ambiental

Em 1936, pouco mais de 80 anos atrás, Selman Waksman publicou um importante e monumental livro, no qual ele analisou detalhadamente o que foi conhecidos e não conhecidos no momento sobre a origem, a composição química e a importância do húmus. Este livro deve ter exigido uma quantidade fenomenal de trabalho., De fato, a fim de escrevê-lo, Waksman coletou e analisou um número de whopping (1311) de fontes primárias abrangendo vários séculos, algumas em alemão, francês, russo e latim. Mesmo com todas as bases de dados eletrônicas disponíveis hoje em dia, isso seria um esforço extremamente demorado, exigindo muitos meses, se não Anos, de leitura e trechos em tempo integral., Na década de 1930, sem internet, fotocopiadoras, ou a opção dos colegas de E-mail para obter reimpressões de suas publicações, identificando, muito menos revisando 1311 fontes deve ter sido um empreendimento absolutamente formidável, vale a pena celebrar por si só.,

Aparentemente influenciada por uma série de anteriores alemão autores, a quem ele citou, Waksman (1936) definiu o húmus da seguinte forma: “Quimicamente, húmus consiste de certos constituintes da planta original de material resistente a mais de decomposição; de substâncias em decomposição em; de complexos resultantes da decomposição, seja por processos de hidrólise ou oxidação e redução; e de vários compostos sintetizados por microrganismos.,”Uma década antes, Waksman (1925) tinha sido um forte defensor da prática tradicional de extração de matéria orgânica do solo com metais alcalinos, seguido da identificação, com base na solubilidade em água, de três diferentes categorias de alto peso molecular, inerentemente estável e quimicamente única “de substâncias húmicas” (fulvic ácido, o ácido húmico, e humin)., No entanto, em 1936, ele mudou de opinião sobre o assunto, estando convencido de que os extratos alcalinos eram uma construção estritamente Operacional, arbitrária, que “não consegue dar uma imagem da verdadeira natureza do húmus, sua origem, e sua condição dinâmica no solo”. Seus escritos sugerem que a ideia de que as substâncias úmicas poderiam ter uma estrutura química única ou definitiva Data do Tempo em que “a química ainda estava em sua infância e quando todos os compostos orgânicos e inorgânicos eram considerados substâncias muito simples na composição química.,”Um microbiologista por treinamento, Waksman também continuou insistindo fortemente, ao longo de seu livro, sobre os “laços invisíveis” fundamentais, mas muitas vezes ignorados, conectando húmus e microorganismos vivos, “que devem ser apreciados para entender a origem e a natureza do húmus.,”Ele argumentou que, “sem negar o papel do puramente reações químicas na formação e transformação de húmus, especialmente as de oxidação, redução, hidrólise e polimerização, deve ser reconhecido que os principais agentes na formação e transformação de húmus, são os microorganismos; com vista de suas funções, anterior químicos não conseguiu entender a origem e o significado de “húmus”, apesar dos muitos anos de esforço, a partir dos primórdios da química orgânica até tempos recentes.,dada a clareza do resumo de Waksman (1936) do Estado do conhecimento de húmus e roteiro para pesquisas futuras, é surpreendente que ninguém tenha seguido suas sugestões até os anos 90, mais de meio século depois. No que diz respeito ao próprio Waksman, há uma razão relativamente simples, ligada ao mau momento, por que ele não seguiu o trabalho ao longo do caminho que ele tinha tão meticulosamente delineado., Como também aconteceu no caso de Langmuir (1938) trabalho seminal sobre interações eletrostáticas entre partículas carregadas (McBride e Baveye, 2002), eventos mundiais do final dos anos 30 rapidamente levou Waksman a desviar sua atenção do trabalho importante para assuntos mais urgentes. Depois de Dubos (1939) conseguiu isolar pela primeira vez, um antibiótico (gramicidin) produzido por um solo micro-organismo, as enormes consequências práticas da descoberta fundamental para os cuidados de saúde, e especialmente para o tratamento de soldados feridos, tornou-se rapidamente óbvio (Moberg, 1999; Van Epps, 2006)., Para encontrar outros antibióticos, a indústria farmacêutica começou a financiar programas de testes sistemáticos, incluindo um grande no laboratório Waksman depois de 1939. Em 1942, Albert Schatz, um dos assistentes de Waksman trabalhando com Actinomycetes, descobriu a estreptomicina. A amarga batalha legal sobre os royalties que se seguiu entre Schatz e Waksman (por exemplo, Lawrence, 2002; Kingston, 2004; Casadevall e Fang, 2013; Pringle, 2013), e a atribuição do Prémio Nobel da medicina para Waksman, em 1952, causou-lhe concentrar praticamente toda a sua atenção aos antibióticos., Não encontramos nenhuma evidência de que ele tenha retomado seu trabalho em húmus ou suas interações com microorganismos.

isto não explica, no entanto, por que outros microbiologistas do solo não pegaram onde Waksman parou. Em certa medida, uma resposta a esta questão pode ser encontrada em reflexões Waksman feitas mais tarde (Waksman, 1958), quando ele apontou que os cientistas do solo demonstraram muito pouco reconhecimento para a microbiologia do solo na parte inicial do século XX., A ênfase na ciência do solo foi, em vez disso, na física e química dos solos, particularmente em relação à fertilidade do solo, ou na classificação do solo. O estado de coisas ainda era manifestamente em curso, em 1936, como ilustrado pelo fato de que, durante esse ano, o jornal Ciência do Solo continha apenas 6 artigos que tratam de microorganismos do solo, de um total de 77 artigos, ao passo que o Processo da Soil Science Society of America não conter um único artigo sobre a microbiologia do solo., O domínio de uma visão, a visão do químico, explica por que a opinião de um microbiologista do solo sobre a natureza do que foi percebido essencialmente como um componente químico dos solos é provável que tenha caído em orelhas relativamente surdas. Da mesma forma, muito provavelmente, é o ponto de vista da Waksman de que a pesquisa futura sobre húmus deve ser o que hoje chamamos de “multidisciplinar” ou mesmo “interdisciplinar” (Baveye et al., 2014)., Waksman (1936) viu claramente que a estreita ligação que ele identificou entre os microrganismos do solo e a natureza das substâncias úmicas do solo exigia uma abordagem de investigação envolvendo a cooperação de várias disciplinas. Em sua opinião, o físico, o químico, o botânico e o microbiologista podem contribuir para a solução dos inúmeros problemas complicados envolvidos na formação e utilização de húmus.”No entanto, estava muito mais de acordo com os hábitos da época para os químicos do solo para continuar a fazer o que eles tinham sido treinados para fazer, ou seja,,, extrair compostos químicos dos solos e tentar determinar sua estrutura química única e hipoteticamente bem definida, de alto peso molecular, um esforço que eles buscaram com grande energia e convicção por várias décadas, totalmente independente do que físicos e microbiólogos do solo, alojados nas mesmas organizações, estavam fazendo de seu lado.com toda a justiça, por muitos anos, uma dificuldade adicional foi que não era realmente viável na prática realizar o tipo de pesquisa interdisciplinar que Waksman tinha imaginado em 1936., Nos anos 50 e 60, vários microbiólogos (por exemplo, Alexander, 1965; Griffith, 1965) também chegaram à conclusão de que para entender a atividade dos microorganismos nos solos, era necessária uma análise detalhada na escala espacial dos microorganismos (ou seja, no “microscale”). Mas, infelizmente,” dificuldades técnicas inerentes na experimentação bioquímica ao nível microscópico ” (Alexander, 1965) dificultou severamente o progresso nessa direção., O advento da transmissão ou Varredura de microscópios eletrônicos, nos anos 60 e 70, forneceu uma riqueza de informações qualitativas sobre habitats microbianos, como visto em micrográficos de cada vez mais alta qualidade (por exemplo, Foster, 1988). No entanto, essa nova informação não pôde ser correlacionada com dados microscópicos correspondentes sobre a composição da matéria orgânica, porque os métodos de análise química relevantes permaneceram quase inteiramente macroscópicos.,

no entanto, o progresso em várias técnicas de análise espectroscópica, em particular em vários métodos de ressonância magnética Nuclear, durante os anos 90, permitiu aos pesquisadores caracterizar a composição química de substâncias úmicas nos solos em muito mais detalhes, e para confirmar a solidez da perspectiva de Waksman (1936). Em um artigo de revisão de Marcos, Piccolo (2002) concluiu que as substâncias úmicas são “associações supramoleculares de auto-montagem de moléculas heterogêneas e relativamente pequenas derivadas da degradação e decomposição de material biológico morto., Outros, mais ou menos ao mesmo tempo, também expressaram opiniões semelhantes, com base em sua leitura da literatura (por exemplo, Burdon, 2001; Wander, 2004). Alguns anos mais tarde, em uma profunda e amplamente citado revisão independente, analítico da investigação realizada ao longo da década anterior, Sutton e Sposito (2005) se refere a substâncias húmicas como “coleções de diversos, relativamente baixa massa molecular componentes que fazem a dinâmica associações estabilizada por interações hidrofóbicas e pontes de hidrogênio.,”Of special mention in the publications of that period are molecular aggregation models (Wershaw, 1986, 1999; Piccolo, 2001; Kleber et al., 2007; Chilom et al., 2009), que descrevem o papel que as interações lipídicas-úmicas desempenham na formação de matéria orgânica do solo. Poder-se-ia considerar esta a única “nova” ideia de que o uso de métodos clássicos de extração tem adicionado à nossa conceitualização da matéria orgânica do solo que foi estabelecida na virada do século.,

aproximadamente ao mesmo tempo que a publicação da revisão de Sutton e Sposito (2005), a comercialização de equipamentos de tomografia computadorizada de raios-X de mesa tornou possível quantificar a geometria e Topologia do espaço poro nos solos (por exemplo, Young e Crawford, 2004; O’Donnell et al., 2007)., Dedicado linha de produção em síncrotron instalações ao redor do mundo permitiu que cientistas e geochemists para realizar medições de um número de características químicas do solo em nanométrica e micrométrica escalas, utilizando técnicas como o X-ray absorption near edge structure (XANES) ou próximo a borda de absorção de raios-X de estrutura fina (NEXAFS) espectroscopia. Finalmente, o acesso rotineiro a novos tipos de microscopia, como microscópios de fluorescência ou laser confocal, disponibilizou pela primeira vez dados quantitativos sobre a distribuição celular bacteriana (por exemplo, Nunan et al., 2003; Eickhorst e Tippkötter, 2008)., Em muitos aspectos, todas as estrelas estavam alinhadas, metaforicamente falando, para lançar a sério o programa de pesquisa interdisciplinar sobre substâncias humicas que Waksman (1936) tinha previsto décadas atrás. Houve algumas tentativas limitadas nesse sentido., De fato, ao mesmo tempo em Sutton e Sposito (2005) concluiu, a partir de revisão de literatura que “húmicas componentes de visualização de contraste molecular de dinâmicas de comportamento e podem ser espacialmente segregados em uma escala de nanômetros,” XANES e NEXAFS análises foram capazes de proporcionar visão clara evidência de que a última parte do que a declaração foi, de fato, a regra, em representante de solos (Jokic et al., 2003; Schumacher et al., 2005; Solomon et al., 2005; Kinyangi et al., 2006)., Mas para além desta confirmação limitada, não se verificou uma verdadeira integração de técnicas e perspectivas disciplinares, tendo sido feitos poucos progressos durante mais uma década na química e dinâmica das substâncias humicas. A maioria das pesquisas humáticas continuou a descrever a matéria orgânica em um sentido macroscópico médio, restringindo nossa capacidade de entender conexões entre os componentes bióticos e abióticos dos solos e funções do solo., Enquanto cada um dos diferentes perspectivas disciplinares tem sido mais explorados, às vezes em grande profundidade, a relutância, intransigência, ou disciplinar inércia continuam a impedir que os pesquisadores de colocar as peças do quebra-cabeça para finalmente nos permitem compreender em detalhes como microrganismos influenciam a criação e transformação de substâncias húmicas, ou os fatores que controlam esses processos (Baveye et al., 2018).,

dez anos quase até o dia após a síntese de Sutton e Sposito (2005), Lehmann e Kleber (2015), em um artigo bem elaborado, revisou em detalhe uma série de opiniões diferentes sobre a natureza química da matéria orgânica do solo e propôs o “modelo contínuo do solo” (SCM) 1. Este modelo conceitualiza a matéria orgânica do solo, não como uma coleção de macromoléculas de alto peso molecular (ou seja, a “visão tradicional”), mas como um “continuum” de fragmentos orgânicos de todos os tamanhos “abrangendo toda a gama de material vegetal intacto a carbono altamente oxidado em ácidos carboxílicos., Estes fragmentos orgânicos são continuamente processados pela comunidade decomposer em direção a tamanho molecular menor.”Apesar de diagramas ilustrativos, contrastando com as SCM com a “visão tradicional”, e a afirmação de que o SCM oferece uma nova “forma de avançar na modelagem do solo, a dinâmica do carbono e do desenvolvimento de manejo do solo que é baseado em evidências observáveis,” é difícil ver qualquer avanço significativo neste modelo em relação ao “novo modo de exibição” das substâncias húmicas descrito 80 anos antes, por Waksman (1936), ou para os pontos de vista ecoou, mais recentemente, por Piccolo (2002) e Sutton e Sposito (2005)., Sobre a dinâmica das substâncias húmicas, Lehmann e Kleber (2015) chamada para os métodos que produzir “evidências observáveis,” necessários para a obtenção de “previsões confiáveis de matéria orgânica do solo volume de negócios,” e que nos permitem estudar a matéria orgânica do “arranjo espacial dentro da matriz mineral, a escala fina redox ambiente, ecologia microbiana e a interação com superfícies minerais sob umidade e condições de temperatura observado nos solos.,”Eles também reiterar Waksman da observação de que a extração de substâncias húmicas não fornece um retrato realista da verdadeira composição e propriedades da matéria orgânica existente no solo, e recomendou que termos como “húmus”,” “humification”, ou mesmo “de substâncias húmicas,” rotineiramente usado por séculos, não devem fazer parte do vocabulário de cientistas.

ao longo dos últimos 3 anos, as diferentes sugestões de Lehmann e Kleber (2015) têm causado bastante agitação entre os cientistas do solo (por exemplo, Piccolo, 2016; Gerke, 2018; Hayes e Swift, 2018; Weber et al., 2018; Olt et al.,, in press). As defesas de hábitos entrincheirados contra o que é retratado quase como uma heresia têm sido extremamente apaixonadas, e as reações negativas às propostas feitas têm sido muito inflexíveis. Isto é ilustrado vividamente por duas edições especiais publicadas recentemente pelo Journal of Soils and Sediments, uma delas celebrando o trabalho de Frank Stevenson sobre Matéria Orgânica do solo (Knicker et al., 2018) e a outra dedicada às substâncias humicas (Weber et al., 2018). Ambas as questões especiais contêm muitos artigos que ainda tratam explicitamente de extratos alcalinos e argumentam os méritos inerentes desta abordagem., Sobre a recomendação, feita por Lehmann e Kleber (2015), para abandonar o “húmus” da terminologia, não tem sido ainda muito pouco debate aberto na literatura sobre se a sanção termos que são usados rotineiramente na esfera pública, não faz sentido e devem, ou podem, ser amplamente adotado. De acordo com a Web da ciência, não parece que a recomendação de Lehmann e Kleber (2015) tenha sido bem recebida, uma vez que o número de artigos publicados referentes a “húmus” ou “humificação” nos solos não diminuiu de todo desde 2015., Em vez de sancionar o uso destes Termos carregados de história, pode ser melhor seguir a liderança de Waksman (1936), e simplesmente certificar-se de que eles sejam adequadamente definidos.,

Em todo o alvoroço que se seguiu à publicação de Lehmann e Kleber do (2015) artigo, pouca atenção, infelizmente, parece ter sido dedicada a natureza química e a dinâmica das substâncias húmicas, o que torna provável que vamos testemunhar mais uma vez o que Jenny (1961), ao escrever sobre a acidez do solo, uma vez que se refere a sarcasticamente como um “merry-go-round”: Há uma boa chance de que outra Ciência ou a Natureza de artigo que será publicado em cerca de 2025, exaltando novo Waksman é perpetuamente “emergente” perspectiva sobre o solo de húmus., No entanto, de uma perspectiva mais otimista, a comunidade de Ciências do solo ainda pode decidir assumir a agenda de pesquisa de Lehmann e Kleber e, criticamente, notar que as ferramentas necessárias para responder ao seu apelo e melhorar a nossa compreensão da dinâmica da matéria orgânica do solo no microscale já existem, de fato, têm sido disponíveis por uma década, mas têm permanecido em grande parte não utilizados.,

seria crucial neste contexto, para compreender as principais razões por que as oportunidades disponíveis para a microescala de análise de substâncias húmicas em solos não foram apreendidas a partir de 2005 até recentemente, a fim de evitar armadilhas ou a repetição de erros cometidos. A este respeito, parece-nos que a explicação mais provável para o nosso actual estado de coisas, e para o movimento muito lento em frente relativamente à natureza e dinâmica das substâncias humicas, está relacionada com a existência de uma barreira considerável no caminho da investigação interdisciplinar., Pode haver várias causas para tal barreira. Os esforços interdisciplinares são notoriamente difíceis de lançar, devido a restrições institucionais e mecanismos de financiamento que muitas vezes favorecem fortemente os esforços mono-disciplinares (por exemplo, Baveye et al., 2014). Outra razão é que a microbiologia tem evoluído cada vez mais ao longo das últimas 3 décadas longe da ecologia, seguindo linhas paralelas ao desenvolvimento da química agrícola moderna e inicialmente causou divisões entre as ciências biológicas e físicas na época de Waksman (Wander, 2009)., Grande parte da pesquisa em Microbiologia do solo nas últimas duas décadas tem sido baseada na noção de que as propriedades físicas ou químicas dos microambientes onde os microrganismos residem nos solos são irrelevantes, e que as moléculas de DNA ou RNA extraídas contêm toda a informação necessária para dar sentido à atividade dos micróbios nos solos. A adopção desta abordagem teve o mérito de gerar representações macroscópicas ou em massa da composição comunitária que satisfaçam os pedidos de medidas quantitativas reprodutíveis., No entanto, durante as duas últimas décadas, esta perspectiva, que tem atraído críticas crescentes (por exemplo, O’Donnell et al., 2007; Baveye, 2009; Baveye et al., 2018; Young and Bengough, 2018), tem contribuído de forma significativa para frustrar os esforços de pesquisa interdisciplinares que lidam com microorganismos do solo, e tem levado microbiologistas para a mesma armadilha que tem restringido o progresso dos químicos do solo e físicos que trabalham na escala macroscópica.para sair dessa armadilha, precisamos reconhecer como organizamos e compartimentalizamos a disciplina da ciência do solo., O funcionamento interno de nossas sociedades acadêmicas, com divisões separadas associadas com a física do solo, a química do solo, e assim por diante, demonstram que ainda percebemos nossa disciplina como sendo fortemente organizada de acordo com uma série de subdisciplinas distintas. Esta estruturação da ciência do solo tem sido criticada por muitos anos. Gardner (1991), por exemplo, advertiu-nos para estar ciente do fato de que “se a ciência do solo é para continuar e prosperar como uma disciplina científica em seu próprio direito, será através de uma integração bem sucedida dos avanços em cada subdisciplinas em um todo integral.,”Apesar dos conselhos repetidos nesse sentido, nada aconteceu. Pior ainda, com algumas exceções notáveis (por exemplo, programas de Agroecologia fundamental), o treinamento da próxima geração de cientistas do solo não evoluiu muito para uma integração mais disciplinar. Além da notável exceção de programas que enfatizam a aprendizagem baseada em problemas (Amador e Görres, 2004; Amador et al., 2006), lectures in most soil science degree programs still focus only on single subdisciplines, and speciality of soil science students occurs too early and is far too pronuncied., Infelizmente, não é inconcebível hoje, por exemplo, que um físico do solo não saiba nada sobre a ecologia da meso – ou macro-fauna do solo, ou que um microbiologista do solo desconheça como a complexa geometria do espaço dos poros nos solos afeta microorganismos. Todos os anos, em todo o mundo, os programas de Educação em Ciências do solo produzem um grande número de graduados deficientes por este tipo de ignorância incapacitante.

E ainda assim, apesar das claras deficiências dos nossos sistemas educativos, parecem haver razões para a esperança., Não só um grupo de investigadores predominantemente jovens apelou recentemente a uma maior ênfase na investigação interdisciplinar em Ciências do solo (Baveye et al., 2018), mas este apelo foi rapidamente seguido por passos significativos ao longo deste caminho. Vidal et al. (2018) combinaram diferentes técnicas espectroscópicas e microscópicas para obter simultaneamente informações sobre a distribuição de minerais e biomassa na vizinhança das raízes. Mais recentemente, Schlüter et al., (2019), utilizando uma combinação de raios-X de µCT, microscopia de fluorescência, microscopia eletrônica de varredura e nanoSIMS, foram capazes de estudar a distribuição de bactérias no solo, e para mostrar que eles têm uma preferência para forrageamento perto de macropore superfícies e perto de doce de partículas de matéria orgânica., Esse pioneirismo da pesquisa interdisciplinar, abre-se caminho para a micro e meso de análise, não só da dinâmica da matéria orgânica do solo, e os processos relacionados, como priming ou a proteção e armazenamento de carbono, que são eminentemente relevante no contexto da mudança global do clima, mas também de outras solo originado em processos de grande importância prática, como o regulamento da acidez do solo e a ligação de metais, sobre o qual a várias perguntas permaneceram sem resposta, apesar de um considerável esforço de pesquisa no passado (por exemplo, Tombamento e Hurley, 1988; Tombamento, 2002).,

Dada a chave de funções que solos cumprir em uma série de contextos ambientais, não se esqueça de respeito para o ousado objetivo de alimentar 10 bilhões de habitantes na terra em 2050 (por exemplo, Baveye, 2015), seria simplesmente inaceitável e não apenas para a disciplina de ciência do solo, mas também para a sociedade em geral, se nós não quebrar interdisciplinar barreira que estava em nosso caminho até agora. Compreender a dinâmica das substâncias úmicas do solo e da matéria orgânica natural é demasiado crucial para evitarmos mais uma vez enveredar pelo caminho não percorrido.,

contribuições do autor

PB e MW ambos contribuíram para o conteúdo deste artigo e colaboraram estreitamente na sua escrita.

Declaração de conflito de interesses

os autores declaram que a investigação foi realizada na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que possam ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.

notas

Gerke, J. (2018). Concepts and misconceptions of humic substances as the stable part of soil organic matter: a review. Agronomia 8: 76. doi: 10.3390/agronomy8050076

CrossRef Full Text/Google Scholar

Langmuir, I. (1938)., O papel das forças atrativas e repulsivas na formação de tactóides, géis tixotrópicos, cristais de proteínas e coacervados. J. Chem. Phys. 6, 873–896. doi: 10.1063/1.1750183

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