Makhluk kecil, perbuatan besar: peran pemotong daun dalam efek rumah kaca neotropik

Makhluk mana yang sering dikaitkan dalam budaya manusia dengan kerja keras, daya tahan, kolektivitas, dan bahkan tanggung jawab? Jika Anda memikirkan lebah, maka Anda benar, tetapi hari ini bukan tentang mereka. Hari ini kita akan berbicara tentang semut, dan bukan tentang semut, tetapi tentang pemotong daun. Mengapa kami tiba-tiba memutuskan untuk berbicara tentang beberapa serangga? Bukankah ada sesuatu yang lebih penting. Jangan terburu-buru mengambil kesimpulan, karena pecandu kerja kecil ini yang bekerja keras untuk kepentingan koloni (tanpa injeksi kopi intravena) dengan hampir tidak ada istirahat bermain jauh dari peran terakhir dalam pembentukan seluruh ekosistem. Itulah artinya - kecil, tetapi jauh.

Lebih khusus lagi, pemotong daun, seperti yang ditemukan para ilmuwan, menghasilkan N ₂ O (nitric oxide), volume yang tiga kali lipat lebih tinggi dari yang dihasilkan oleh tangki pengolahan air limbah. Dengan demikian, pemotong daun memainkan salah satu peran sentral dalam mekanisme efek rumah kaca neotropik. Bagaimana para ilmuwan melakukan pengukuran, apa yang sebenarnya berhasil mereka ketahui, dan apa yang mereka usulkan dengan semut pemotong daun? Kami akan menemukan jawabannya dalam laporan kelompok riset. Ayo pergi.

Sedikit ilmu pengetahuan

Semut dianggap sebagai salah satu keluarga paling maju di antara serangga. Koloni mereka adalah salah satu mekanisme hidup besar yang bekerja tanpa gangguan. Saat ini, ada, untuk kedua, sekitar 14.000 spesies semut, yang sebagian besar hidup di daerah tropis.



Pahlawan penelitian hari ini bukanlah seluruh keluarga, tetapi beberapa jenis semut: Atta dan Acromyrmex, yang lebih dikenal dengan nama umum pemotong daun. Anda mungkin melihat mereka setidaknya di beberapa film dokumenter tentang Amerika Selatan. Nama spesies ini berbicara secara langsung tentang ciri-ciri utama mereka, setidaknya yang langsung terlihat oleh pengamat. Pemotong daun benar-benar memotong potongan daun dengan bantuan rahang atas yang kuat (mandibles / mandibles) dan memindahkannya ke koloni mereka. Tetapi mereka tidak makan dedaunan secara langsung, mereka membutuhkannya untuk pertanian. Ya, pekerja keras kecil ini adalah petani yang hebat.

Di kedalaman koloni mereka, pemotong daun menghancurkan kebun jamur yang memberi makan, yaitu, pupuk dengan daun kunyah. Semut pekerja yang lebih besar mengambil dedaunan, dan semut yang lebih kecil mengunyah dan membuat kompos.


Klip kecil tentang pemotong daun.

Perlu juga dicatat fitur yang tidak biasa dari salah satu spesies yang diteliti, Acromyrmex. Semut-semut ini “dilengkapi” dengan kelenjar yang menghasilkan rahasia yang diperlukan untuk keberadaan bakteri Streptomyces. Bakteri ini dibutuhkan oleh semut sebagai “vaksin” terhadap efek berbahaya dari jamur Escovopsis, yang merupakan bentuk parasit gulma di peternakan jamur di sarang semut.


Streptomyces coelicolor yang sangat berwarna.

Fitur pemotongan daun dan pertanian dipertimbangkan dalam penelitian ini. Lebih tepatnya, para peneliti menganalisis limbah pemotong daun untuk mengidentifikasi cara pengolahan N yang sebelumnya tidak diketahui, yang mengarah pada pelepasan sejumlah besar N ₂ O ke atmosfer, yang merupakan bagian dari gas rumah kaca. Limbah dianalisis dalam hal komposisi kimia dan mikroba.

Persiapan Observasi

Sampel untuk penelitian dikumpulkan di hutan hujan Kosta Rika (lokasi yang tepat disebut Piro Biological Station ). Fitur utama dari wilayah ini adalah hutan campuran: satu bagian (primer) adalah hutan yang tidak tersentuh oleh manusia, dan yang kedua (sekunder) adalah semak yang baru ditanam di lokasi padang rumput 50 tahun yang lalu. Ketinggian bervariasi dari 0 hingga 100 meter. Suhu rata-rata tahunan adalah sekitar 26 ° C, dan curah hujan rata-rata mencapai 3.400 mm. Kondisi cuaca sepanjang tahun bervariasi dari musim kemarau (Januari - Maret) hingga hujan dengan puncaknya pada bulan September dan Oktober.


Gambar No. 1

Sampel diambil dari 22 koloni semut dari spesies Atta colombica, yang terletak di area 4 km ² , mempengaruhi baik zona primer maupun zona sekunder hutan. Para ilmuwan mencatat koordinat semua titik pengumpulan sampel untuk analisis lebih lanjut dari distribusi gas melalui area di sekitar koloni. Juga, pengukuran dilakukan pada area koloni dan tempat pembuangan limbah, di mana beberapa pipa (diameter 22 cm) ditempatkan pada kedalaman 3 cm, ditutup di atas dengan penutup PVC berventilasi. Ini dilakukan 10 menit sebelum mengambil gambar. Selanjutnya, kedalaman diukur di mana pipa ternyata setelah periode pengujian tertentu. Dengan demikian dimungkinkan untuk memahami tingkat timbulan sampah.

Setiap 10 menit, sampel dikumpulkan selama setengah jam dan ditempatkan dalam 10 ml labu yang telah dievakuasi.

Sampel menjadi sasaran analisis gas untuk keberadaan N ₂ O, CO ₂ dan CH ₄ . Untuk ini, kromatografi gas dengan methanator, detektor penangkap elektron, dan detektor ionisasi nyala digunakan.

Sampel (limbah dan tanah) disimpan pada suhu 48 ° C selama 3 hari dan dianalisis untuk menentukan aktivitas potensial dari enzim denitrifikasi.

Denitrifikasi * - reduksi nitrat menjadi nitrit, dan kemudian menjadi gas oksida dan nitrogen molekul.

Sampel dari 10 zona pagar digabung menjadi satu, yang dibagi menjadi alikuot. Selanjutnya, perjalanan 90 menit, mereka diinkubasi dengan atau tanpa menambahkan sampel dari permukaan tumpukan sampah.

Aliquot * - secara akurat mengukur beberapa fraksi sampel.

Untuk menentukan biomassa mikroba, 8 gram sampel diambil 1 jam sebelum dan 3 hari setelah proses fumigasi kloroform. Selama analisis, perhatian khusus diberikan pada keberadaan karbon organik dan nitrogen dalam sampel, yang dibantu oleh penganalisa Shimadzu TOC-V CPN / TNM-1.



Hasil Pengamatan


Gambar No. 2

Emisi N ₂ O dari tumpukan sampah semut Atta colombica sangat bervariasi: dari 180 mg N ₂ ON m ^-2 h ^-1 hingga 89000 mg N ₂ ON m ^-2 h ^-1 ( 2a ). Pengukuran ini sangat sesuai dengan pengamatan di ekosistem nyata, yaitu, di alam. Dengan demikian, nilai rata-rata gas yang dihasilkan adalah 11200 mg N2 ON m ^-2 jam ^-1 .

m ^-2 h ^-1 * - per meter persegi per jam.

Gambar 2b menunjukkan perbandingan generasi N ₂ O tumpukan sampah pemotong daun dan struktur antropogenik (dirancang atau dipelihara oleh manusia): laguna anaerob, pabrik pengolahan air limbah, dll. Dan seperti yang ditunjukkan perbandingan ini, pemotong daun dengan tugas menghasilkan N ₂ O mengatasi jauh lebih baik.

Volume gas yang dihasilkan oleh tumpukan sampah sangat berbeda dari yang telah diamati oleh para ilmuwan di hutan primer dan sekunder. Ketika emisi timbunan sampah mencapai puncaknya pada Juni 2017 di awal musim hujan, volume N ₂ O dari koloni tetangga tidak jauh berbeda dari hutan di sekitarnya (primer dan sekunder) dan berjumlah sekitar 67 mg (gambar 1b dan 2a ). Volume N ₂ O yang dihasilkan oleh hutan itu sendiri yang mengelilingi koloni semut adalah 11 mg N ₂ ON m ^-2 jam ^-1 , tingkat tahunan rata-rata umumnya hanya 2 mg.

Para peneliti mencatat bahwa nitrifikasi dan denitrifikasi, yang sangat sensitif terhadap tekanan parsial oksigen dan pasokan substrat, adalah proses mikroba yang paling penting dalam produksi nitro oksida. Oleh karena itu, struktur tumpukan sampah semut harus memiliki beberapa fitur yang meningkatkan produksi N ₂ O.


Gambar No. 3

Dan fitur seperti itu ditemukan, yaitu, peningkatan konsentrasi N dan pengurangan rasio C: N (karbon dan nitrogen) dalam sampah yang jatuh ke TPA - 13,5 + 1 ( 3f , 3e ). Perlu membandingkan ini dengan rasio C: N di jaringan dedaunan hijau (21 + 5) dan dedaunan jatuh (32-42).

Dan di sini logika yang biasa membantu untuk sedikit lebih dekat dengan solusinya: dedaunan menutupi permukaan bumi di hutan cukup merata, sementara semut menariknya ke dalam satu zona kecil, sehingga meningkatkan konsentrasi limbah organik. Analisis data menunjukkan bahwa konsentrasi nitrogen di tumpukan adalah 5 kali lebih tinggi daripada di sampah hutan sekitarnya. Selain itu, konsentrasi NH4 yang sangat tinggi (500 kali lebih tinggi) dan konsentrasi NO3 ^- ( 3g , 3h ) yang sangat rendah, bersama dengan tanda-tanda anoksia, merupakan faktor denitrifikasi, dan bukan nitrifikasi, sebagai mekanisme utama untuk produksi N ₂ O.

Anoxia, yaitu ketiadaan oksigen, juga dikonfirmasi oleh metana konsentrasi tinggi (CH ₄ ) - dari 0,01 hingga 250 mg CH4 -C m-1 jam-1. Mengingat bahwa metanogenesis pada pH 5,5, sama seperti tumpukan sampah, secara signifikan kurang efektif daripada denitrifikasi. Ini menunjukkan bahwa potensi redoks sampah dapat sangat dikurangi. Dengan membandingkan aktivitas potensial dari enzim denitrifikasi di tumpukan dan di serasah hutan sekitarnya, para ilmuwan menemukan bahwa dalam tumpukan ini angka ini 25 kali lebih tinggi ( 3d ).

Dengan demikian, kita dapat menyimpulkan bahwa tumpukan pemotong daun adalah "mekanisme" produksi CO ₂ , CH ₄ dan nitro oksida yang terkoordinasi dengan baik, karena adanya faktor-faktor tertentu: sejumlah besar biomassa mikroba, ketersediaan substrat, kondisi abiotik yang ideal, dll. Satu-satunya hal yang masih belum jelas adalah perbedaan jumlah N ₂ O yang dihasilkan antara tumpukan sampah yang berbeda. Dengan kata lain, faktor-faktor di atas untuk tempat pembuangan akhir yang berbeda hampir identik. Para ilmuwan percaya bahwa perbedaan dalam indeks N ₂ O mungkin tergantung pada lebih banyak faktor internal, sehingga dapat dikatakan, pada struktur individu dari tumpukan sampah: iklim mikro, pengaruh organisme hidup lainnya, kualitas pakan, perubahan biomassa mikroba, keadaan koloni (individu), dll.


Gambar No. 4

Selanjutnya, para peneliti menyusun indikator berikut: volume N ₂ O yang dihasilkan oleh pemotong lembar, luas tumpukan sampah, kepadatan tumpukan sampah di hutan primer dan sekunder, dan di zona perbatasan. Kombinasi dari data ini memungkinkan untuk memahami bagaimana secara global produksi pemotong daun N ₂ O mempengaruhi atmosfer dan ekosistem neotropik.

Dan sekarang untuk bagian yang menyenangkan. Kira-kira 0,01-0,35 kg N ₂ ON diproduksi per hektar persegi per tahun di tumpukan pemotong daun dengan kepadatan rata-rata 1,2 per hektar. Dan ini adalah 200% dari produksi N ₂ O oleh serasah dari hutan itu sendiri (primer).

Para peneliti mencatat bahwa di alam, lonjakan produksi N ₂ O secara berkala terjadi karena perubahan mendadak dalam ekosistem (kondisi cuaca, misalnya). Namun, di tumpukan pemotong daun, suhu tetap cukup stabil sepanjang tahun. Dan hujan yang sangat sering juga memasok bahan organik lembab yang diperkaya dengan nitrogen ke tumpukan, yang berkontribusi pada produksi sejumlah besar N ₂ O.

“Migrasi” koloni pemotongan daun di hutan juga memainkan peran besar. Pindah ke tempat baru, semut meninggalkan koloni dan tempat pembuangan sampah, yang terurai dalam 1 tahun. Namun, bahkan setelah ini, peningkatan konsentrasi nitrogen tetap ada di tanah. Dan ini menunjukkan bahwa tumpukan sampah yang bahkan ditinggalkan terus menghasilkan N ₂ O, sudah tanpa partisipasi dari semut semut sebelumnya.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sangat menyarankan Anda melihat laporan kelompok riset dan bahan-bahan tambahannya .

Epilog

Kesimpulan utama dari penelitian ini adalah fakta bahwa aktivitas vital pemotong daun memainkan peran penting dalam pembentukan ekosistem di seluruh wilayah. Tempat pembuangan sampah daun adalah struktur unik dengan karakteristik kimia yang tidak biasa yang bersama-sama berkontribusi pada produksi masif N ₂ O.

Dengan karya mereka, para ilmuwan sekali lagi membuktikan seberapa besar pengaruh organisme kecil terhadap lingkungan. Segala sesuatu di alam saling berhubungan. Tetapi terkadang kita tidak sepenuhnya memahami bagaimana dan di mana koneksi ini muncul dan apa pengaruhnya. Berkat studi ini, kita tahu sedikit tentang dunia kita yang besar dan misterius.



Terima kasih telah menonton, tetap ingin tahu dan memiliki akhir pekan yang hebat semuanya, kawan.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim semi gratis ketika membayar selama setengah tahun, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?