Ilustracja rozkładu fosforu z różnych biomolekuł na powierzchni cząstek naturalnego tlenku żelaza. Źródło: Grupa badawcza Aristilde/Northwestern University
Nowe badania pokazują, że tlenek żelaza w glebie może odzyskiwać fosfor z materii organicznej.
Nowe badanie autorstwa Uniwersytet Północno-Zachodni pokazuje, że minerały tlenku żelaza w glebie mogą przekształcać fosfor organiczny w stan nieorganiczny, podważając wcześniejsze przekonanie, że tylko enzymy biologiczne mogą przeprowadzić tę przemianę. Odkrycie to ma kluczowe znaczenie dla opracowania zrównoważonych metod recyklingu fosforu.
Nowa metoda obiegu fosforu
Naukowcy pod kierownictwem Northwestern University odkryli nowy sposób, w jaki przyroda cyklicznie zmienia fosfor, co odkrywa brakujący element zagadkowego cyklu fosforu na Ziemi.
Wyniki badania zostaną opublikowane dzisiaj (18 lipca) w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza.
Fosfor, niezbędny składnik odżywczy dla wzrostu roślin, jest niezbywalnym składnikiem nawozów. Bez tego rolnicy nie będą w stanie zapewnić zdrowia roślin i zwiększyć plonów. Zrozumienie cyklu fosforu na Ziemi jest zatem ważne dla ochrony globalnych dostaw żywności.
Chociaż organiczne formy fosforu występują powszechnie w glebie, rośliny i drobnoustroje potrzebują fosforu nieorganicznego, aby pobudzić swój własny wzrost. W formie organicznej fosfor jest bezpośrednio lub pośrednio połączony z atomami węgla, wykorzystując tlen jako mostek. Zatem rośliny i drobnoustroje wydzielają enzymy, które rozrywają wiązania węglowe w fosforze organicznym i wytwarzają biodostępny fosfor nieorganiczny.
Rola tlenku żelaza w przemianie fosforu
Choć obecne zrozumienie cyklu fosforu zakłada, że za tę przemianę odpowiadają wyłącznie enzymy roślinne i drobnoustroje, nowe badanie Northwestern pokazuje, że istnieje inny sposób. Tlenek żelaza, minerał naturalnie występujący w glebie i osadach, może przeprowadzić reakcję przekształcającą fosfor organiczny w postać nieorganiczną. Co zaskakujące, naukowcy odkryli również, że minerały tlenku żelaza recyklingują fosfor w podobnym tempie, jak w przypadku enzymów w glebie.
„Obecnie głównym źródłem fosforu do nawozów jest górnictwo” – powiedziała Ludmilla Aristilde z Northwestern, która kierowała pracami. „To ograniczone zasoby, które w końcu nam się skończą. Według niektórych szacunków może nam się to skończyć już za 50 lub za kilkaset lat. Poszukujemy sposobów wykorzystania rozwiązań opartych na przyrodzie w zakresie recyklingu fosforu, ponieważ bez tego nie możemy zapewnić bezpieczeństwa żywnościowego. Zanim jednak będziemy mogli to zrobić, musimy zrozumieć mechanizmy leżące u podstaw naturalnego recyklingu fosforu. Odkryliśmy, że minerały odgrywają ważną, wcześniej nieznaną, rolę w tym procesie.”
Aristilde, ekspert w dziedzinie dynamiki związków organicznych w procesach środowiskowych, jest profesorem nadzwyczajnym inżynierii środowiska w McCormick School of Engineering w Northwestern. Jest także członkiem Centrum Biologii Syntetycznej, Międzynarodowego Instytutu Nanotechnologii oraz Instytutu Pauli M. Trienens ds. Zrównoważonego Rozwoju i Energii. Jade Basinski, dr hab. student w laboratorium Aristilde, jest pierwszym autorem pracy. Analeise Klein i Wiriya Thongsomboon, byli badacze ze stopniem doktora w laboratorium, są współautorami.
Patrząc poza biologię
Kiedy martwa roślinność lub drobnoustroje rozkładają się w glebie, pozostawiają po sobie szereg składników odżywczych, m.in DNA I RNA, które są ważnymi klasami fosforu organicznego. Mikroorganizmy i żywe rośliny wykorzystują enzymy do odszczepiania fosforu z nukleotydów – składników strukturalnych DNA i RNA – w rozkładającej się materii organicznej, aby udostępnić go jako odzyskany składnik odżywczy. Do tej pory większość badaczy zakładała, że jedynym naturalnym mechanizmem recyklingu organicznego fosforu jest użycie enzymów.
Aristilde i jej współpracownicy postanowili jednak zbadać, czy w grę może wchodzić inny mechanizm.
„Wyniki badań terenowych dotyczące dynamiki fosforu w środowisku sugerują rozważenie mechanizmów wykraczających poza biologię w zakresie transformacji fosforu organicznego w osadach” – stwierdziła Aristilde. „Moja grupa zaczęła przyglądać się minerałom, zwłaszcza tlenkom żelaza, ponieważ wiadomo, że mogą służyć jako katalizatory”.
Sprawa brakującego fosforu
W eksperymentach laboratoryjnych Aristilde i jej zespół badali losy fosforu w glebach i osadach zawierających minerały tlenku żelaza. Po przeprowadzeniu wielu eksperymentów i analiz badacze odkryli w roztworze produkty przemiany. Co ciekawe, brakowało części nieorganicznego fosforu.
Ponieważ wiadomo, że tlenek żelaza zatrzymuje fosfor, zespół chciał dokładniej zbadać te minerały. W tym celu wykorzystali specjalistyczną technikę rentgenowską w Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, aby rozwiązać zagadkę.
„Oto odkryliśmy, że fosfor przylegał do powierzchni tlenku żelaza” – powiedziała Aristilde. „Zasadniczo minerały mogą przetwarzać fosfor z cząsteczek DNA i RNA. Jednak nie cały fosfor organiczny jest uwalniany w roztworze, ponieważ przykleja się do powierzchni. Technika rentgenowska pozwoliła nam odkryć, że duża część nowo wytworzonego fosforu nieorganicznego była związana z tlenkami żelaza”.
Nieziemskie spostrzeżenia
Następnie zespół Aristilde zmierzył, w jaki sposób – i ile – nieorganicznego fosforu powstał z nukleotydów. Naukowcy odkryli, że minerały przetwarzają fosforany w tempie porównywalnym z biologicznym.
„Nie spodziewaliśmy się, że wskaźniki będą tak porównywalne z tymi zgłaszanymi dla enzymów glebowych” – powiedziała Aristilde. „To zmienia sposób, w jaki myślimy o recyklingu fosforu”.
Nowe informacje nie tylko poszerzą sposób, w jaki myślimy o obiegu fosforu na naszej planecie, ale mogą również dostarczyć informacji o sąsiadujących planetach.
„Mars jest czerwony, ponieważ jest pełen tlenków żelaza” – powiedziała Aristilde. „Jeśli okaże się, że uwięziony jest w nich nieorganiczny fosfor, zasadne jest pytanie: «Czy ten fosfor może mieć organiczne pochodzenie od życia?»”
Odniesienie: „Odkrywanie tlenków żelaza jako abiotycznych katalizatorów recyklingu organicznego fosforu w matrycach gleby i osadów”, 18 lipca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-47931-z
Badanie zostało wsparte przez Departament Energii USA (numer nagrody DE-SC0021172).
