Gli ossidi di ferro fungono da catalizzatori naturali per sbloccare il fosforo per la crescita delle piante alimentari

Un nutriente critico per la vita, la maggior parte del fosforo nel suolo è organico – da resti di piante, microbi o animali. Ma le piante hanno bisogno di fosforo inorganico – il tipo che si trova nei fertilizzanti – per il cibo. Mentre i ricercatori tradizionalmente pensavano che solo gli enzimi da microbi e piante potessero convertire il fosforo organico in forma inorganica, gli scienziati nord -occidentali avevano precedentemente scoperto ossidi di ferro nei terreni e sedimenti naturali possono guidare la conversione.

Ora, in un nuovo studio, lo stesso team di ricerca ha scoperto che gli ossidi di ferro non generano solo una quantità trascurabile della preziosa risorsa. In effetti, gli ossidi di ferro sono catalizzatori incredibilmente efficienti, in grado di guidare la conversione a tassi paragonabili alle reazioni degli enzimi. La scoperta potrebbe aiutare i ricercatori e gli esperti del settore a comprendere meglio il ciclo del fosforo e ottimizzarne l’uso, specialmente nei terreni agricoli.

Lo studio è stato pubblicato oggi (4 marzo) sulla rivista Scienza e tecnologia ambientale.

“Il fosforo è essenziale per tutte le forme di vita”, ha detto Ludmilla AritIlde di Northwestern, che ha guidato lo studio. “La spina dorsale del DNA contiene fosfato. Quindi, tutta la vita sulla Terra, compresi gli umani, dipende dal fosforo per prosperare. Ecco perché abbiamo bisogno di fertilizzanti per aumentare il fosforo nei suoli. Altrimenti, le colture di cui abbiamo bisogno per nutrire il nostro pianeta non crescerà. C’è un profondo interesse nel comprendere il fatato del fosforo nell’ambiente.”

Esperto nelle dinamiche dei prodotti organici nei processi ambientali, AritIlde è professore associato di ingegneria ambientale presso la McCormick School of Engineering del Nordwestern. È anche membro del Center for Synthetic Biology, International Institute for Nanotechnology e Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Jade Basinski, un dottorato di ricerca Studente nel laboratorio di Aristilde, è il primo autore del giornale. Altro Ph.D. Studenti e ricercatori post -dottorato nel team di AritIlde hanno contribuito al lavoro.

Percorsi per l’accesso al fosforo

Per secoli, gli agricoltori hanno aggiunto fosforo ai loro campi per migliorare i raccolti. Non solo migliora la qualità delle colture, ma il fosforo promuove anche la formazione di radici e semi. Le piante letteralmente non possono sopravvivere senza di essa.

Ma c’è un problema. Le piante si sono evolute per usare il fosforo nella sua forma più semplice e prontamente disponibile: fosforo inorganico. Il fosforo inorganico è come una molecola pronta all’uso che le piante possono facilmente consumare e incorporare nel loro metabolismo. La maggior parte del fosforo nell’ambiente, tuttavia, è organica, il che significa che è legato agli atomi di carbonio. Per accedere a questo fosforo, le piante si affidano ai propri enzimi o enzimi secreti secreti dai microbi per rompere i legami nel fosforo organico e rilasciare la forma inorganica utilizzabile.

Nel lavoro precedente, il team di Atistilde ha scoperto che gli enzimi non sono gli unici veicoli in grado di eseguire questa conversione essenziale. Si verificano naturalmente nei terreni e nei sedimenti, anche gli ossidi di ferro possono eseguire la reazione che trasforma il fosforo organico per generare la forma inorganica.

Quanto e quanto velocemente?

Dopo aver dimostrato che gli ossidi di ferro offrono un altro percorso per le piante per accedere al fosforo, AritIlde e il suo team hanno cercato di comprendere i tassi e l’efficienza di questa conversione catalitica.

“Gli ossidi di ferro intrappolano il fosforo perché hanno cariche diverse”, ha detto Aritielde. “Gli ossidi di ferro sono caricati positivamente e il fosforo viene caricato negativamente. Per questo motivo, ovunque trovi il fosforo, lo troverai legato con gli ossidi di ferro. Nel nostro studio precedente, abbiamo mostrato che gli ossidi di ferro possono servire da catalizzatore per scindere il fosforo. Successivamente, volevamo sapere quanto possono scindere e quanto velocemente.”

Per esplorare questa domanda, i ricercatori hanno studiato tre tipi comuni di ossidi di ferro: goethite, ematite e ferriidrite. Utilizzando tecniche analitiche avanzate, Aritdilde e il suo team hanno studiato le interazioni tra questi ossidi di ferro e varie strutture di ribonucleotidi, che sono i mattoni di RNA e DNA. Nei loro molteplici esperimenti, il team di Atistilde ha cercato il fosforo inorganico sia nella soluzione circostante che sulla superficie degli ossidi di ferro. Eseguindo esperimenti per un periodo di tempo specifico e con diverse concentrazioni di ribonucleotidi, il team ha determinato i tassi e l’efficienza della reazione.

“Abbiamo concluso che gli ossidi di ferro sono” trappole catalitiche “perché catalizzano la reazione per rimuovere il fosfato dai composti organici ma intrappolano il prodotto fosfato sulla superficie minerale”, ha detto Aritiedi. “Gli enzimi non intrappolano il prodotto; rendono tutto disponibile. Abbiamo scoperto che Goethite era l’unico minerale che non ha intrappolato tutto il fosforo dopo la reazione.”

Il team ha scoperto che ogni tipo di ossido di ferro mostrava vari gradi di attività catalitica per scindere il fosforo dai ribonucleotidi. Mentre Goethite era più efficiente con i ribonucleotidi contenenti tre fosforo, l’ematite era più efficiente con i ribonucleotidi contenenti un fosforo. L’ematite si trova nella parte del Midwest degli Stati Uniti, mentre Goethite si trova comunemente nei suoli negli Stati Uniti meridionali e nel Sud America.

Cosa c’è il prossimo

Successivamente, il team di Atistilde cercherà di capire perché diversi ossidi di ferro hanno una diversa efficienza per il processo di catalisi e come Goethite è in grado di rilasciare il fosfato ma ferriidrite e ematite intrappolano tutto il fosfato prodotto. Mentre i ricercatori inizialmente ipotizzavano che la struttura superficiale dei composti del fosforo avrebbe svolto un ruolo, non hanno trovato una chiara tendenza. Ora, pensano che la chimica del minerale stesso potrebbe essere il segreto dietro il suo successo.

Poiché il fosforo è una risorsa finita – estratta dalla roccia del fosfato trovato solo negli Stati Uniti, in Marocco e in Cina – la sua offerta sta diminuendo. Gli agricoltori e i ricercatori preoccupano che il fosforo alla fine diventerà così costoso che aumenterà i costi alimentari complessivi, rendendo inaccessibile le graffette di base.

Trovare nuovi modi per convertire il fosforo organico intrappolato in fosforo inorganico biodisponibile, pertanto, è vitale per l’approvvigionamento alimentare globale.

“Il nostro lavoro sta fornendo un trampolino di lancio per la progettazione e l’ingegneria di un catalizzatore sintetico come un modo per riciclare il fosforo”, ha affermato Aritielde. “Abbiamo scoperto una reazione che sta accadendo in modo naturale. Il sogno sarà quello di sfruttare le nostre scoperte come un modo per fare catalizzatori per contribuire alla produzione di fertilizzanti per la nostra sicurezza alimentare.”