Frontiers in Environmental Science (Română)

În 1936, cu puțin peste 80 de ani în urmă, Selman Waksman a publicat o carte memorabilă și monumentală în care a revizuit în detaliu ceea ce se știa și nu se știa la acea vreme despre originea, compoziția chimică și importanța humusului. Această carte trebuie să fi necesitat o cantitate fenomenală de muncă., Într-adevăr, pentru a-l scrie, Waksman a colectat și analizat un număr enorm (1311) de surse primare care se întind pe mai multe secole, unele în Germană, Franceză, Rusă și latină. Chiar și cu toate bazele de date electronice disponibile pentru noi în zilele noastre, acest lucru ar fi un efort extrem de consumatoare de timp, care necesită mai multe luni, dacă nu ani, de lectură full-time și excerpting., În anii 1930, fără internet, mașini de fotocopiere sau opțiunea colegilor de e-mail pentru a obține retipăriri ale publicațiilor lor, identificarea, cu atât mai puțin revizuirea surselor 1311 trebuie să fi fost o întreprindere absolut formidabilă, merită sărbătorită în sine.,

aparent influențat de un număr de autori germani anteriori, pe care i-a citat, Waksman (1936) a definit humusul după cum urmează: „chimic, humusul constă din anumiți constituenți ai materialului vegetal original rezistent la descompunerea ulterioară; a substanțelor supuse descompunerii; a complexelor rezultate din descompunere, fie prin procese de hidroliză, fie prin oxidare și reducere; și a diferiților compuși sintetizați de microorganisme.,”Cu un deceniu mai devreme, Waksman (1925) a fost un avocat puternic al practicii tradiționale de extragere a materiei organice din sol cu alcalii, urmată de identificarea, pe baza solubilității în apă, a trei categorii diferite de „substanțe humice” cu greutate moleculară mare, inerent stabile și unice chimic (acid fulvic, acid humic și humin)., Cu toate acestea, până în 1936 s-a răzgândit în această privință, fiind convins că extractele alcaline erau o construcție strict operațională, arbitrară, care „nu reușește să ofere o imagine a adevăratei naturi a humusului, a originii sale și a stării sale dinamice în sol. Scrierile sale sugerează că ideea că substanțele humice ar putea avea o structură chimică unică sau definitivă datează din momentul în care „chimia era încă la început și când toți compușii organici și anorganici erau considerați a fi substanțe foarte simple în compoziția chimică.,”Un microbiolog prin antrenament, Waksman a insistat, de asemenea, puternic, în întreaga sa carte, asupra „legăturilor invizibile” fundamentale, dar prea des ignorate, care leagă humusul și microorganismele vii”, care trebuie apreciate pentru a înțelege originea și natura humusului.,”El a susținut că, „fără a nega rolul pur reacții chimice în formarea și transformarea de humus, în special cele de oxidare și reducere, hidroliză și de polimerizare, ar trebui să fie recunoscut faptul că agenții principali în formarea și transformarea de humus sunt microorganisme; de vedere funcțiile lor, mai devreme, chimiști nu a reușit să înțeleagă originea și semnificația de humus, în ciuda multor ani de efort, de la începuturile chimiei organice până în timpurile recente.,având în vedere claritatea rezumatului lui Waksman (1936) al stării de cunoaștere a humusului și a foii de parcurs pentru cercetările viitoare, este surprinzător faptul că nimeni nu a urmat sugestiile sale până în anii 90, mai mult de o jumătate de secol mai târziu. În ceea ce-l privește pe Waksman însuși, există un motiv relativ simplu, legat de momentul nepotrivit, de ce nu a continuat să lucreze pe calea pe care a conturat-o cu atâta migală., Cum s-a întâmplat în cazul lui Langmuir (1938) lucrare pe interacțiunile electrostatice dintre particule încărcate (McBride și Baveye, 2002), evenimente mondiale de la sfârșitul anilor ‘ 30 rapid solicită Waksman să își mute atenția de la lucru important spre probleme mai presante. După Dubos (1939) a reușit să izoleze pentru prima dată un antibiotic (gramicidina) produs de un sol de microorganisme, cu enorme consecințe practice de această descoperire fundamentală pentru sănătate, și în special pentru tratamentul de soldați răniți, a devenit repede evident (Moberg, 1999; Van Epps, 2006)., Pentru a găsi alte antibiotice, industria farmaceutică a început să finanțeze programe de testare sistematică, inclusiv una mare în laboratorul lui Waksman după 1939. În 1942, Albert Schatz, unul dintre asistenții lui Waksman care lucrează cu actinomicete, a descoperit streptomicina. Lupta juridică amară asupra redevențelor care a urmat între Schatz și Waksman (de exemplu, Lawrence, 2002; Kingston, 2004; Casadevall și Fang, 2013; Pringle, 2013) și acordarea Premiului Nobel pentru medicină lui Waksman în 1952 l-au determinat să-și concentreze practic toată atenția ulterioară asupra antibioticelor., Nu găsim nici o dovadă că și-a reluat vreodată activitatea asupra humusului sau a interacțiunilor sale cu microorganismele.acest lucru nu explică, totuși, de ce alți microbiologi ai solului nu au preluat locul în care a rămas Waksman. Într-o oarecare măsură, un răspuns la această întrebare poate fi găsit în reflecțiile făcute de Waksman mai târziu (Waksman, 1958), când a subliniat că oamenii de știință din sol au demonstrat foarte puțină recunoaștere față de microbiologia solului în prima parte a secolului al XX-lea., Accentul în știința solului a fost pus în schimb pe fizica și chimia solurilor, în special în ceea ce privește fertilitatea solului sau clasificarea solului. Această stare de fapt a fost încă în mod vădit în curs de desfășurare în 1936, după cum este ilustrat de faptul că în acest an, revista Știința Solului cuprinse numai 6 articole care se ocupă cu microorganismele din sol dintr-un total de 77 de articole, în timp ce Procedurile de Știința Solului Society of America nu conține un singur articol referitoare la microbiologiei solului., Dominanța unei opinii, punctul de vedere al chimistului, explică de ce opinia unui microbiolog al solului cu privire la natura a ceea ce a fost perceput în esență ca o componentă chimică a solurilor este probabil să fi căzut pe urechi relativ surde. La fel, cel mai probabil, este punctul de vedere al lui Waksman că cercetările viitoare asupra humusului ar trebui să fie ceea ce am numi acum „multidisciplinare” sau chiar „interdisciplinare” (Baveye et al., 2014)., Waksman (1936) a văzut clar că legătura strânsă pe care a identificat-o între microorganismele solului și natura substanțelor humice din sol a necesitat o abordare de cercetare care implică cooperarea mai multor discipline. În opinia sa, „fizicianul, chimistul, botanistul și microbiologul pot contribui la rezolvarea numeroaselor probleme complicate implicate în formarea și utilizarea humusului.”Cu toate acestea, era mult mai mult în conformitate cu obiceiurile vremii pentru chimiștii solului să continue să facă ceea ce fuseseră instruiți să facă, adică.,, extract de compuși chimici din sol și să încerce să determine lor unic și ipotetic bine definite, cu greutate moleculară mare și structură chimică, un demers care au urmărit cu mare energie și convingere pentru mai multe decenii, total independent de sol fizicieni și microbiologi, adăpostite în aceleași organizații, s-au făcut partea lor.în toată corectitudinea, timp de mulți ani, o dificultate suplimentară a fost aceea că nu era cu adevărat fezabil în practică să se realizeze tipul de cercetare interdisciplinară pe care Waksman îl preconizase în 1936., În anii 50 și 60, mai mulți microbiologi (de exemplu, Alexander, 1965; Griffith, 1965) au ajuns, de asemenea, la concluzia că pentru a înțelege activitatea microorganismelor în soluri, a fost necesară o analiză detaliată la scara spațială a microorganismelor (adică la „microscară”). Dar ,din păcate,” dificultățile tehnice inerente în experimentarea biochimică la nivel microscopic ” (Alexander, 1965) au împiedicat grav progresul în această direcție., Apariția de transport sau de scanare microscoape electronice, în anii 60 și ‘ 70, a furnizat o multitudine de informații calitative despre microbiene habitatelor cum se vede în micrographs din ce în ce mai înaltă calitate (de exemplu, Foster, 1988). Cu toate acestea, aceste informații noi nu au putut fi corelate cu datele microscopice corespunzătoare despre compoziția materiei organice, deoarece metodele de analiză chimică relevante au rămas aproape în întregime macroscopice.,cu toate acestea, progresul în mai multe tehnici de analiză spectroscopică, în special în diferite metode de rezonanță magnetică nucleară, în anii 90 a permis cercetătorilor să caracterizeze compoziția chimică a substanțelor humice în soluri în detaliu și să confirme soliditatea perspectivei lui Waksman (1936). Într-un articol de revizuire a reperelor, Piccolo (2002) a concluzionat că substanțele humice sunt „asociații supramoleculare de auto-asamblare a moleculelor eterogene și relativ mici care derivă din degradarea și descompunerea materialului biologic mort.,”Și alții, în același timp, au exprimat opinii similare, pe baza lecturii lor din literatură (de exemplu, Burdon, 2001; Wander, 2004). Câțiva ani mai târziu, într-o revizuire aprofundată și larg citată a cercetării analitice independente efectuate în deceniul precedent, Sutton and Sposito (2005) s-au referit la substanțele humice ca „colecții de componente diverse, relativ scăzute de masă moleculară care formează asociații dinamice stabilizate prin interacțiuni hidrofobe și legături de hidrogen.,”De mențiune specială în publicațiile din acea perioadă sunt modelele de agregare moleculară (Wershaw, 1986, 1999; Piccolo, 2001; Kleber et al., 2007; Chilom și colab., 2009), care descriu rolul pe care îl joacă interacțiunile lipid-humice în formarea materiei organice a solului. S-ar putea considera aceasta ideea „nouă” că utilizarea metodelor clasice de extracție a adăugat la conceptualizarea materiei organice a solului care a fost stabilită la începutul secolului.,aproximativ în același timp cu publicarea recenziei lui Sutton și Sposito (2005), comercializarea echipamentelor de tomografie computerizată cu raze X de masă a făcut posibilă cuantificarea geometriei și topologiei spațiului porilor în soluri (de exemplu, Young și Crawford, 2004; O ‘ Donnell et al., 2007)., Dedicat beamlines la sincrotronul de facilități din întreaga lume permis de oameni de stiinta a solului și geochimisti pentru a efectua măsurători la un număr de sol caracteristici chimice la nanometrice si micrometrice cântare, folosind tehnici, cum ar fi X-ray absorption aproape de margine structura (XANES) sau aproape de margine X-ray absorption structură fină (NEXAFS) spectroscopie. În cele din urmă, accesul de rutină la noi tipuri de microscopie, cum ar fi fluorescența sau microscoapele laser confocale, a făcut disponibile date cantitative pentru prima dată privind distribuția celulelor bacteriene (de exemplu, Nunan et al., 2003; Eickhorst și Tippkötter, 2008)., În multe privințe, toate stelele au fost aliniate, metaforic vorbind, pentru a lansa cu seriozitate programul de cercetare interdisciplinară asupra substanțelor humice pe care Waksman (1936) îl avusese în vedere cu decenii în urmă. Au existat unele încercări limitate în acest sens., Într-adevăr, la aproximativ aceeași oră în Sutton și Hackenberg (2005), încheiat la revizuirea lor din literatura de specialitate că „humici componente de afișare contrastante molecular dinamice de comportament și poate fi segregate spațial pe o scară de nanometri,” XANES și NEXAFS analizele au fost în măsură să ofere vizuală clară dovadă că acesta din urmă face parte din această declarație a fost într-adevăr o regulă, în soluri reprezentative (Jokic et al., 2003; Schumacher și colab., 2005; Solomon și colab., 2005; Kinyangi și colab., 2006)., Dar dincolo de această confirmare limitată, nu a avut loc o integrare reală a tehnicilor și a perspectivelor disciplinare și s-au înregistrat puține progrese pentru încă un deceniu în ceea ce privește chimia și dinamica substanțelor humice. Cele mai humics de cercetare a continuat să descrie materia organică în medie, macroscopic sens, limitează capacitatea noastră de a înțelege conexiunile dintre biotice și abiotice ale solurilor și funcțiile solului., În timp ce fiecare dintre diferitele perspective disciplinare a fost explorat mai mult, uneori, în mare adancime, reticența, intransigența, sau disciplinare inerție continua pentru a preveni cercetători de a pune piesele de puzzle impreuna pentru a în cele din urmă ne permite să înțelegem în detaliu cum microorganismele influențează crearea și transformarea substanțelor humice, sau factori care controlează aceste procese (Baveye et al., 2018).,la aproape zece ani după sinteza lui Sutton și Sposito (2005), Lehmann și Kleber (2015), într-un articol bine elaborat, au revizuit în detaliu o serie de opinii diferite despre natura chimică a materiei organice din sol și au propus „modelul continuum al solului” (SCM)1. Acest model conceptualizează materia organică a solului, nu ca o colecție de macromolecule cu greutate moleculară mare (adică” viziunea tradițională”), ci ca un” continuum „de fragmente organice de toate dimensiunile” care acoperă întreaga gamă de la materialul vegetal intact la carbonul puternic oxidat în acizi carboxilici.,”Aceste fragmente organice sunt procesate continuu de comunitatea de descompunere spre dimensiuni moleculare mai mici.”În ciuda diagrame ilustrative contrastante CSM cu „punctul de vedere tradițional,” și susțin că CSM oferă o nouă „cale de urmat în modelarea solului carbon dinamica și dezvoltarea de gestionare a solului care se bazează pe dovezi observabile,” este greu pentru a vedea orice progres semnificativ în acest model relativ la „noua viziune” de substanțe humice descris 80 de ani mai devreme de către Waksman (1936), sau la vedere susținută mai recent de Piccolo (2002) și Sutton și Hackenberg (2005)., Privind dinamica de substanțe humice, Lehmann și Kleber (2015) apel pentru metodele care produc „dovezi observabile,” necesare pentru a obține „previziuni fiabile de materie organică din sol cifra de afaceri”, și care ne permit să studiem materia organică este „aranjarea în minerale matrice, bine-scara redox a mediului, ecologia microbiană și interacțiunea cu suprafețele minerale în umiditate și condiții de temperatură observată în soluri.,”Ei au, de asemenea, reiterez Waksman observația că extracția de substanțe humice nu oferă o imagine realistă a adevărat compoziția și proprietățile materiei organice care există în soluri, și a recomandat ca termeni ca „humus,” „humificare,” sau chiar „substanțe humice,” în mod obișnuit folosit de secole, ar trebui să nu mai facă parte din vocabularul de oameni de stiinta a solului.în ultimii 3 ani, diferitele sugestii ale lui Lehmann și Kleber (2015) au provocat o agitație în rândul oamenilor de știință din sol (de exemplu, Piccolo, 2016; Gerke, 2018; Hayes și Swift, 2018; Weber et al., 2018; Olt et al.,, în presă). Apărările obiceiurilor înrădăcinate împotriva a ceea ce este portretizat aproape ca o erezie au fost extrem de pasionale, iar reacțiile negative la propunerile făcute au fost foarte adamant. Acest lucru este ilustrat viu de două numere speciale publicate recent de Jurnalul solurilor și sedimentelor, unul care sărbătorește munca lui Frank Stevenson asupra materiei organice a solului (Knicker et al., 2018) și celălalt dedicat substanțelor humice (Weber et al., 2018). Ambele probleme speciale conțin multe articole care încă se ocupă în mod explicit cu extracte alcaline și argumentând meritele inerente ale acestei abordări., În ceea ce privește recomandarea, prin Lehmann și Kleber (2015), să renunțe la „humus”, terminologia, nu a fost încă foarte puțin dezbatere deschisă în literatura de specialitate dacă sancționarea termenii care sunt utilizate în mod curent în sfera publică are sens și ar trebui, sau chiar ar putea fi adoptate pe scară largă. Potrivit Web of Science, nu pare că recomandarea lui Lehmann și Kleber (2015) a fost bine primită, deoarece numărul articolelor publicate referitoare la „humus” sau „humificare” în soluri nu a scăzut deloc din 2015., În loc să sancționați utilizarea acestor Termeni încărcați de istorie, ar fi mai bine să urmați conducerea lui Waksman (1936) și pur și simplu să vă asigurați că sunt definiți corespunzător.,

În tot vacarmul care a urmat publicării Lehmann și Kleber e (2015) articolul, puțină atenție, din păcate, pare să fi fost dedicată natura chimică și dinamica de substanțe humice, făcându-l probabil că vom asista din nou ce Jenny (1961), a scris despre aciditatea solului, odată menționate sarcastic ca un „merry-go-round”: Există o bună șansă că o altă Știință sau Natura articolul va fi publicat în aproximativ 2025, apologie din nou Waksman este perpetuu „emergente” perspectiva pe sol humus., Cu toate acestea, dintr-o perspectiva mai optimista, de știința solului comunitatea poate decide să ia Lehmann și Kleber e agendei de cercetare și, în mod critic, rețineți că instrumentele necesare pentru a răspunde apelului lor și de a îmbunătăți înțelegerea dinamicii materiei organice din sol la scară micro deja există, într-adevăr, au fost disponibile pentru un deceniu, dar au rămas în mare parte neutilizate.,în acest context, ar fi esențial să se înțeleagă principalele motive pentru care oportunitățile disponibile pentru analiza la microscară a substanțelor humice din soluri nu au fost confiscate din 2005 până de curând, pentru a evita capcanele sau repetarea greșelilor făcute. În acest sens, ni se pare că cea mai probabilă explicație pentru starea noastră actuală și pentru mișcarea foarte lentă în ceea ce privește natura și dinamica substanțelor humice este legată de existența unei bariere considerabile pe calea cercetării interdisciplinare., Se poate presupune că există mai multe cauze pentru o astfel de barieră. Eforturile interdisciplinare sunt notorii dificil de lansat, din cauza constrângerilor instituționale și a mecanismelor de finanțare care adesea favorizează puternic eforturile mono-disciplinare (de exemplu, Baveye et al., 2014). Un alt motiv este că Microbiologia a evoluat din ce în ce mai mult în ultimele 3 decenii departe de ecologie, de-a lungul liniilor care paralel cu dezvoltarea chimiei agricole moderne și a provocat inițial diviziuni între științele biologice și fizice din vremea lui Waksman (Wander, 2009)., O mare parte din cercetările în microbiologia solului din ultimele două decenii s-au bazat pe ideea că proprietățile fizice sau chimice ale micromediilor în care microorganismele locuiesc în soluri sunt irelevante și că moleculele de ADN sau ARN extrase conțin toate informațiile necesare pentru a înțelege activitatea microbilor din soluri. Adoptarea acestei abordări a avut meritul de a genera reprezentări macroscopice sau în masă ale compoziției comunitare care să satisfacă cerințele privind măsurile cantitative reproductibile., Cu toate acestea, în ultimele două decenii, această perspectivă, care a atras critici în creștere (de exemplu, O ‘ Donnell et al., 2007; Baveye, 2009; Baveye și colab., 2018; Tineri și Bengough, 2018), are, fără îndoială, a contribuit în mod semnificativ pentru a contracara interdisciplinare a eforturilor de cercetare care se ocupă cu microorganismele din sol, și a condus microbiologi în aceeași capcană care a constrâns progresul de sol chimiști și fizicieni care lucrează la scară macroscopică.pentru a ieși din această capcană, trebuie să recunoaștem modul în care am organizat și compartimentat disciplina științei solului., Lucrările interne ale societăților noastre academice, cu diviziuni separate asociate cu fizica solului, chimia solului și așa mai departe, demonstrează că încă percepem disciplina noastră ca fiind puternic organizată în funcție de o serie de subdiscipline distincte. Această structurare a științei solului a fost criticată de mulți ani. Gardner (1991), de exemplu, ne-a îndemnat să fim conștienți de faptul că „dacă știința solului va continua și va prospera ca disciplină științifică în sine, aceasta va fi prin integrarea cu succes a progreselor din fiecare subdisciplină într-un întreg integral.,”În ciuda sfaturilor repetate de – a lungul acestor linii, nu s-a întâmplat nimic. Mai rău, cu câteva excepții notabile (de exemplu, programe de Agroecologie de bază), formarea următoarei generații de oameni de știință din sol nu a evoluat prea mult spre o integrare mai disciplinară. În afară de excepția notabilă a programelor care pun accentul pe învățarea bazată pe probleme (Amador și Görres, 2004; Amador și colab., 2006), prelegeri în cele mai multe programe de studii de sol știință încă se concentreze exclusiv pe subdiscipline unice, și specializarea studenților științe ale solului apare prea devreme și este mult prea pronunțată., Din păcate, nu este de neconceput astăzi, de exemplu, ca un fizician al solului să nu știe nimic despre ecologia mezo – sau macro-faunei solului sau ca un microbiolog al solului să nu știe cum geometria complicată a spațiului porilor din soluri afectează microorganismele. În fiecare an, la nivel mondial, programe de educație știință sol produce un număr mare de absolvenți cu handicap de acest tip de ignoranță crippling.și totuși, în ciuda deficiențelor clare ale sistemelor noastre educaționale, se pare că există motive de speranță., Nu numai că un grup de cercetători predominant tineri a solicitat recent un accent sporit pe cercetarea interdisciplinară în știința solului (Baveye et al., 2018), dar acest apel a fost urmat rapid de pași semnificativi de-a lungul acestei căi. Vidal și colab. (2018) au combinat diferite tehnici spectroscopice și microscopice pentru a obține simultan informații despre distribuția mineralelor și a biomasei în vecinătatea rădăcinilor. Mai recent, Schlüter și colab., (2019), folosind o combinație de X-ray µCT, microscopie de fluorescenta, microscopie electronică de baleiaj și nanoSIMS, au fost capabili să se studieze distribuția de bacterii în sol, și pentru a arăta că au o preferință spre căutarea hranei lângă macropore suprafețe și în apropierea proaspete particulelor de materie organică., Acest pionierat cercetare interdisciplinară deschide calea spre micro și mezo analiza nu doar de dinamica materiei organice din sol și procesele legate de astfel de amorsare sau de stocare și de protecție de carbon, care sunt deosebit de relevante în contextul schimbărilor climatice globale, dar, de asemenea, de alte solului-suportate de procese de mare importanță practică, cum ar fi regulamentul de aciditate a solului și legarea de metale, despre care diverse întrebări au rămas fără răspuns, în ciuda unui considerabil efort de cercetare în trecut (de exemplu, evacuarea și Hurley, 1988; Basculare, 2002).,

Având în vedere funcțiile-cheie care solurile îndeplini într-o serie de contexte de mediu, să nu uităm cu respect la descurajatoare obiectiv de hrănirea a 10 miliarde de locuitori pe terra până în anul 2050 (de exemplu, Baveye, 2015), ar fi pur și simplu inacceptabilă nu doar pentru disciplina de pedologie, dar, de asemenea, pentru societate în general, dacă nu vom rupe interdisciplinare barieră care a stat în calea noastră de până acum. Înțelegerea dinamicii substanțelor humice din sol și a materiei organice naturale este prea crucială pentru noi pentru a evita din nou să luăm calea care nu a fost parcursă.,Pb și MW au contribuit la conținutul acestui articol și au colaborat îndeaproape la scrierea sa.

Declarație privind conflictul de interese

autorii declară că cercetarea a fost efectuată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.

note de subsol