Оксиды железа действуют как природные катализаторы, высвобождая фосфор для роста растений
Исследователи из Северо-Западного университета опровергают традиционный взгляд на оксиды железа как просто на "ловушки" для фосфора. Этот критически важный для жизни элемент в почве в основном представлен в органической форме — из остатков растений, микробов или животных. Однако растениям для питания необходим неорганический фосфор — тот тип, что содержится в удобрениях.
Ранее считалось, что лишь ферменты микробов и растений могут преобразовывать органический фосфор в неорганическую форму, но учёные из Северо-Западного университета обнаружили, что оксиды железа в естественных почвах и осадках также способны запускать эту конверсию. Новое исследование той же команды показало, что оксиды железа производят не незначительное количество этого ценного ресурса. Напротив, они являются невероятно эффективными катализаторами, способными осуществлять преобразование со скоростями, сравнимыми с ферментативными реакциями. Это открытие может помочь исследователям и экспертам отрасли лучше понять цикл фосфора и оптимизировать его использование, особенно в сельскохозяйственных почвах.
«Фосфор необходим для всех форм жизни, — сказала руководитель исследования Людмила Аристилд. — Остов ДНК содержит фосфат. Так что вся жизнь на Земле, включая людей, зависит от фосфора. Вот почему нам нужны удобрения для повышения его содержания в почвах. В противном случае урожай, необходимый для пропитания планеты, не вырастет. Существует огромный интерес к пониманию судьбы фосфора в окружающей среде».
После доказательства того, что оксиды железа предлагают растениям альтернативный путь доступа к фосфору, команда решила изучить скорость и эффективность этой каталитической конверсии. Исследователи изучили три распространённых типа оксидов железа: гётит, гематит и ферригидрит. Используя передовые аналитические методы, они исследовали взаимодействие между этими минералами и различными структурами рибонуклеотидов — строительных блоков РНК и ДНК.
«Мы пришли к выводу, что оксиды железа являются "каталитическими ловушками", потому что они катализируют реакцию по удалению фосфата из органических соединений, но удерживают продукт — фосфат — на поверхности минерала, — пояснила Аристилд. — Ферменты не удерживают продукт; они делают всё доступным. Мы обнаружили, что гётит был единственным минералом, который не удерживал весь фосфор после реакции». Каждый тип оксида железа проявлял различную степень каталитической активности по отщеплению фосфора от рибонуклеотидов. Гётит был более эффективен с рибонуклеотидами, содержащими три атома фосфора, а гематит — с теми, что содержат один атом фосфора.
Поскольку фосфор является ограниченным ресурсом — его добывают из фосфатной породы, залежи которой есть только в США, Марокко и Китае, — его запасы истощаются. Поиск новых способов преобразования недоступного органического фосфора в биодоступную неорганическую форму жизненно важен для глобального продовольственного снабжения. «Наша работа закладывает основу для проектирования и создания синтетического катализатора как способа рециклинга фосфора, — сказала Аристилд. — Мы обнаружили реакцию, которая происходит естественным образом. Мечта — использовать наши выводы для создания катализаторов, которые внесут вклад в производство удобрений для нашей продовольственной безопасности».
Исследование опубликовано в журнале Environmental Science & Technology.