西北大学的一项新研究表明，土壤中的氧化铁矿物可以将有机磷转化为无机状态，挑战了以前认为只有生物酶才能完成这种转化的观点。这一发现对于开发可持续的磷回收方法至关重要。

新型磷循环方法

由美国西北大学领导的研究人员发现了自然界循环磷的一种新方式，这一发现揭示了地球上令人费解的磷循环中缺失的一部分。

这项研究将发表在7月18日的《自然通讯》杂志上。

磷是植物生长的关键养分，是肥料中不可交换的成分。没有它，农民就无法确保植物健康并提高作物产量。因此，了解地球的磷循环对保护全球粮食供应非常重要。

虽然有机形式的磷在土壤中很丰富，但植物和微生物需要无机磷来促进自身的生长。在有机形态中，磷以氧作为桥梁直接或间接地与碳原子相连。因此，植物和微生物分泌酶来打破有机磷中的碳键，生成生物可利用的无机磷。

氧化铁在磷转化中的作用

虽然，目前对磷循环的理解假设只有来自植物和微生物的酶驱动这种转化，但西北大学的新研究表明还有另一种方式。氧化铁是土壤和沉积物中天然存在的矿物质，它可以进行将有机磷转化为无机形式的反应。令人惊讶的是，研究人员还发现，氧化铁矿物回收磷的速度与土壤中酶的速度相似。

“目前，用于肥料的磷的主要来源是采矿，”西北大学的Ludmilla Aristilde说，他领导了这项工作。“这是一种有限的资源，我们最终会用完。根据一些估计，我们可能会在50年或几百年内耗尽。我们正在研究如何利用基于自然的磷回收解决方案，因为没有它我们就无法实现粮食安全。但是，在我们这样做之前，我们需要了解自然磷回收的潜在机制。我们发现矿物质在这个过程中起着重要的作用，而这是以前未知的。”

作为环境过程中有机物动力学方面的专家，Aristilde是西北大学麦考密克工程学院环境工程副教授。她也是合成生物学中心、国际纳米技术研究所和Paula M. Trienens可持续发展与能源研究所的成员。亚里斯提尔德实验室的博士生杰德·巴辛斯基(Jade Basinski)是这篇论文的第一作者。该实验室的前博士后研究员Analeise Klein和Wiriya Thongsomboon是贡献作者。

超越生物学

当死去的植物或微生物在土壤中腐烂时，它们会留下许多营养物质，包括DNA和RNA，它们是重要的有机磷种类。微生物和活的植物利用酶从腐烂的有机物中的核苷酸（DNA和RNA的结构成分）中分离磷，使其成为可循环利用的营养物质。到目前为止，大多数研究人员认为使用酶是自然界循环有机磷的唯一机制。

然而，Aristilde和她的合作者决定探索是否有另一种机制在起作用。

“对磷的环境动力学的实地研究结果表明，考虑沉积物中有机磷转化的生物学以外的机制，”Aristilde说。“我的团队开始研究矿物质，特别是氧化铁，因为它们可以作为催化剂。”

遗失的磷的案例

在实验室实验中，Aristilde和她的团队研究了含氧化铁矿物的土壤和沉积物中磷的去向。经过多次实验和分析，研究人员在溶液中发现了反应的转化产物。但奇怪的是，部分无机磷不见了。

因为已知氧化铁会捕获磷，研究小组想更仔细地研究这些矿物质。为此，他们在斯坦福同步辐射光源使用了一种专门的x射线技术来解开这个谜团。

“你瞧，我们发现磷附着在氧化铁表面，”Aristilde说。“基本上，矿物质可以从DNA和RNA分子中回收磷。但并不是所有的有机磷都被释放到溶液中，因为它被粘在表面。X射线技术使我们发现，新生成的无机磷的很大一部分与氧化铁有关。”

超凡脱俗的见解

Aristilde的研究小组随后测量了从核苷酸中产生无机磷的方式和数量。研究人员发现，矿物质回收磷酸盐的速度与生物学相当。

Aristilde说：“我们没有预料到这一比率与土壤酶的报告如此相似。它改变了我们对磷回收方式的看法。”

这些新信息不仅扩展了我们对地球上磷循环的看法，还可以为我们了解邻近的行星提供见解。

“火星是红色的，因为它充满了氧化铁，”Aristilde说。“如果发现它们中含有无机磷，我们有理由问:‘这些磷是否有生命的有机起源？’”

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