Исследователи из Северо-Западного университета обнаружили новый способ круговорота фосфора в природе, и это открытие проливает свет на недостающую часть загадочного цикла фосфора на Земле. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Фосфор, критически важный питательный элемент для роста растений, является неотъемлемым компонентом удобрений. Без него фермеры не смогут обеспечить здоровье растений и повысить урожайность. Поэтому понимание фосфорного цикла Земли важно для защиты мировых запасов продовольствия.
Хотя органические формы фосфора в изобилии присутствуют в почвах, растениям и микробам необходим неорганический фосфор для стимулирования собственного роста. В органической форме фосфор напрямую или косвенно связан с атомами углерода, используя кислород в качестве мостика. Поэтому растения и микробы выделяют ферменты для разрыва углеродной связи в органическом фосфоре и получения биодоступного неорганического фосфора.
В то время как современное понимание фосфорного цикла предполагает, что только ферменты из растений и микробов управляют этой трансформацией, новое северо-западное исследование показывает, что есть другой путь. Оксид железа, природный минерал в почвах и отложениях, может выполнять реакцию, которая преобразует органический фосфор в неорганическую форму. Удивительно, но исследователи также обнаружили, что минералы оксида железа перерабатывают фосфор с той же скоростью, что и ферменты в почвах.
«В настоящее время основным источником фосфора для удобрений является добыча полезных ископаемых», — сказала Людмила Аристилде из Northwestern, которая руководила работой. «Это конечный ресурс, который в конечном итоге у нас закончится. По некоторым оценкам, он может закончиться уже через 50 лет или через пару сотен лет. Мы ищем способы использования природных решений для переработки фосфора, поскольку без него мы не можем обеспечить продовольственную безопасность. Но прежде чем мы сможем это сделать, нам нужно понять основные механизмы переработки природного фосфора. Мы обнаружили, что минералы играют важную и ранее неизвестную роль в этом процессе».
Когда мертвая растительность или микробы разлагаются в почве, они оставляют после себя ряд питательных веществ, включая ДНК и РНК, которые являются важными классами органического фосфора. Микробы и живые растения используют ферменты для расщепления фосфора из нуклеотидов — структурных компонентов ДНК и РНК — в разлагающейся органической материи, чтобы сделать его доступным в качестве переработанного питательного вещества. До сих пор большинство исследователей предполагали, что использование ферментов — единственный природный механизм переработки органического фосфора.
Однако Аристилде и ее коллеги решили выяснить, не действует ли здесь другой механизм.
«Результаты полевых исследований динамики фосфора в окружающей среде предполагают необходимость рассмотрения механизмов, выходящих за рамки биологии, для трансформации органического фосфора в отложениях», — сказал Аристилде. «Моя группа начала изучать минералы, в частности оксиды железа, поскольку известно, что они могут служить катализаторами».
В лабораторных экспериментах Аристилде и ее команда изучали судьбу фосфора в почвах и отложениях, содержащих минералы оксида железа. После проведения многочисленных экспериментов и анализов исследователи обнаружили продукты трансформации в результате реакции в растворе. Но часть неорганического фосфора странным образом отсутствовала.
Поскольку оксид железа, как известно, улавливает фосфор, команда хотела изучить минералы более внимательно. Для этого они использовали специализированную рентгеновскую технику в Стэнфордском источнике синхротронного излучения, чтобы раскрыть тайну.
«О чудо, мы обнаружили, что фосфор прилип к поверхности оксида железа», — сказала Аристилде. «По сути, минералы могут перерабатывать фосфор из молекул ДНК и РНК. Но не весь органический фосфор высвобождается в раствор, потому что он прилипает к поверхности. Рентгеновский метод позволил нам обнаружить, что большая часть вновь образованного неорганического фосфора была связана с оксидами железа».
Затем команда Аристилда измерила, как и в каком количестве неорганический фосфор был произведен из нуклеотидов. Исследователи обнаружили, что минералы перерабатывают фосфаты со скоростью, сопоставимой с биологией.
«Мы не ожидали, что показатели будут настолько сопоставимы с показателями почвенных ферментов», — сказала Аристилде. «Это меняет наше представление о том, как перерабатывается фосфор».
Новая информация не только расширит наши представления о круговороте фосфора на нашей планете, но и может дать представление о соседних с нами планетах.
«Марс красный, потому что он полон оксидов железа», — сказала Аристильда. «Если в них обнаружен неорганический фосфор, разумно задать вопрос: «Может ли этот фосфор иметь органическое происхождение от жизни?»
