Mineralien spielen eine neu entdeckte Rolle im Phosphorkreislauf der Erde

Forscher unter der Leitung der Northwestern University haben einen neuen Weg entdeckt, wie die Natur Phosphor wiederverwertet – eine Entdeckung, die einen fehlenden Teil des rätselhaften Phosphorkreislaufs der Erde aufdeckt.

Die Suche erscheint in Naturkommunikation.

Phosphor ist ein essentieller Nährstoff für das Pflanzenwachstum und ein wesentlicher Bestandteil von Düngemitteln. Ohne sie können Landwirte die Pflanzengesundheit nicht gewährleisten und den Ernteertrag nicht steigern. Daher ist es wichtig, den Phosphorkreislauf auf der Erde zu verstehen, um die globale Nahrungsmittelversorgung zu schützen.

Obwohl organische Formen von Phosphor in Böden reichlich vorhanden sind, benötigen Pflanzen und Mikroben anorganischen Phosphor, um ihr eigenes Wachstum zu stimulieren. In seiner organischen Form ist Phosphor über Sauerstoff als Brücke direkt oder indirekt an Kohlenstoffatome gebunden. Daher sezernieren Pflanzen und Mikroben Enzyme, um die Kohlenstoffbindung von organischem Phosphor aufzubrechen und bioverfügbaren anorganischen Phosphor zu erzeugen.

Obwohl das aktuelle Wissen über den Phosphorkreislauf davon ausgeht, dass nur Enzyme in Pflanzen und Mikroben diese Transformation vorantreiben, zeigt die neue Northwestern-Studie, dass es einen anderen Weg gibt. Eisenoxid, ein Mineral, das natürlicherweise in Böden und Sedimenten vorkommt, kann die Reaktion durchführen, die organischen Phosphor in die anorganische Form umwandelt. Überraschenderweise fanden Forscher auch heraus, dass Eisenoxidmineralien Phosphor mit einer ähnlichen Geschwindigkeit recyceln wie Bodenenzyme.

„Derzeit ist die Hauptquelle für Phosphor für Düngemittel der Bergbau“, sagte Ludmilla Aristilde von Northwestern, die die Arbeit leitete. „Es ist eine begrenzte Ressource, die uns irgendwann ausgehen wird. Einigen Schätzungen zufolge könnte es uns innerhalb von 50 oder 200 Jahren ausgehen. Wir suchen nach Möglichkeiten, natürliche Lösungen für das Phosphorrecycling zu nutzen, denn ohne Phosphor können wir unsere Ernährungssicherheit nicht gewährleisten. Doch bevor wir dies tun können, müssen wir die zugrunde liegenden Mechanismen des natürlichen Phosphorrecyclings verstehen. Wir haben herausgefunden, dass Mineralien in diesem Prozess eine wichtige, bisher unbekannte Rolle spielen. »

Aristilde ist Expertin für die Dynamik organischer Verbindungen in Umweltprozessen. Sie ist außerordentliche Professorin für Umweltingenieurwesen an der McCormick School of Engineering im Nordwesten. Sie ist außerdem Mitglied des Center for Synthetic Biology, des International Institute for Nanotechnology und des Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Jade Basinski, eine Doktorandin in Aristildes Labor, ist die Erstautorin des Artikels. Analeise Klein und Wiriya Thongsomboon, ehemalige Postdoktorandinnen im Labor, sind Co-Autoren.

Jenseits der Biologie

Wenn abgestorbene Pflanzen oder Mikroben im Boden zersetzt werden, hinterlassen sie eine Reihe von Nährstoffen, darunter DNA und RNA, wichtige Klassen organischen Phosphors. Mikroben und lebende Pflanzen nutzen Enzyme, um Phosphor von Nukleotiden (Strukturbestandteilen von DNA und RNA) in verrottenden organischen Stoffen zu trennen und ihn als recycelten Nährstoff verfügbar zu machen. Bisher glaubten die meisten Forscher, dass der Einsatz von Enzymen der einzige natürliche Mechanismus zur Wiederverwertung von organischem Phosphor sei.

Aristilde und ihre Mitarbeiter beschlossen jedoch zu untersuchen, ob möglicherweise ein anderer Mechanismus im Spiel ist.

„Die Ergebnisse von Feldstudien zur Umweltdynamik von Phosphor legen nahe, andere als biologische Mechanismen für die Umwandlung von organischem Phosphor in Sedimenten in Betracht zu ziehen“, sagte Aristilde. „Meine Gruppe interessierte sich für Mineralien, insbesondere für Eisenoxide, weil sie bekanntermaßen als Katalysatoren dienen können. »

Die fehlende Phosphor-Affäre

In Laborexperimenten untersuchten Aristilde und ihr Team den Verbleib von Phosphor in Böden und Sedimenten, die Eisenoxidmineralien enthalten. Nach zahlreichen Experimenten und Analysen fanden die Forscher Umwandlungsprodukte der Reaktion in der Lösung. Aber seltsamerweise fehlte ein Teil des anorganischen Phosphors.

Da Eisenoxid bekanntermaßen Phosphor einfängt, wollte das Team diese Mineralien genauer untersuchen. Dazu nutzten sie eine spezielle Röntgentechnik an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, um das Rätsel zu lösen.

„Wir haben herausgefunden, dass Phosphor an der Oberfläche von Eisenoxid haftet“, erklärt Aristilde. „Tatsächlich können Mineralien Phosphor aus DNA- und RNA-Molekülen recyceln. Allerdings wird nicht der gesamte organische Phosphor in die Lösung abgegeben, da er an der Oberfläche haften bleibt. Mithilfe der Röntgentechnik konnten wir entdecken, dass ein Großteil des neu erzeugten anorganischen Phosphors mit Eisenoxiden verbunden war. »

Einblicke in eine andere Welt

Aristildes Team maß dann, wie und in welcher Menge aus den Nukleotiden anorganischer Phosphor entstand. Forscher haben herausgefunden, dass Mineralien Phosphate mit einer mit der Biologie vergleichbaren Geschwindigkeit recyceln.

„Wir hatten nicht erwartet, dass die Raten so vergleichbar mit denen sind, die für Bodenenzyme beobachtet wurden“, sagte Aristilde. „Das verändert die Art und Weise, wie wir über Phosphorrecycling denken. »

Diese neuen Informationen werden nicht nur unser Denken über den Phosphorkreislauf auf unserem Planeten erweitern, sondern möglicherweise auch Einblicke in unsere Nachbarplaneten liefern.

„Der Mars ist rot, weil er voller Eisenoxide ist“, erklärt Aristilde. „Wenn wir entdecken, dass anorganischer Phosphor in diesen Oxiden eingeschlossen ist, ist die Frage berechtigt: ‚Könnte dieser Phosphor einen organischen Ursprung im Leben haben?‘ »