Gli ossidi di ferro aiutano a rilasciare il fosforo utile alle piante

I ricercatori della Northwestern University stanno attivamente ribaltando la visione convenzionale degli ossidi di ferro come semplici "pezzi di fosforo".

Un nutriente fondamentale per la vita, la maggior parte del fosforo nel terreno è organica, dai resti di piante, microbi o animali. Ma le piante hanno bisogno di fosforo inorganico - il tipo trovato nei fertilizzanti - per il cibo. Mentre i ricercatori pensavano tradizionalmente che solo gli enzimi dei microbi e delle piante potessero convertire il fosforo organico in forma inorganica, gli scienziati della Northwestern hanno precedentemente scoperto che gli ossidi di ferro nei suoli naturali e nei sedimenti possono guidare la conversione.

Ora, in un nuovo studio, lo stesso gruppo 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 a ottimizzarne l’uso, soprattutto nei terreni agricoli.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Environmental Science & Technology.

"Il fosforo è essenziale per tutte le forme di vita", ha detto Ludmilla Aristilde della Northwestern, che ha condotto lo studio. La spina dorsale del DNA contiene fosfato. Quindi, tutta la vita sulla Terra, compresi gli esseri 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 cresceranno. C’è un profondo interesse nel comprendere il destino del fosforo nell’ambiente”.

Esperto nella dinamica dei prodotti biologici nei processi ambientali, Aristilde è professore associato di ingegneria ambientale presso la McCormick School of Engineering della Northwestern. È anche membro del Centro di Biologia Sintetica, Istituto Internazionale per la Nanotecnologia e Paula M. Istituto Trienens per la sostenibilità e l'energia. Jade Basinski, una studentessa di dottorato nel laboratorio di Aristilde, è il primo autore del giornale. Altri dottorandi e ricercatori post-dottorato nel team di Aristilde hanno contribuito al lavoro.

Percorsi per accedere al fosforo

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

Ma c'e' un problema. Le piante si sono evolute per utilizzare il fosforo nella sua forma più semplice e facilmente 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 dai microbi per rompere i legami nel fosforo organico e rilasciare la forma inorganica utilizzabile.

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

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

"Gli ossidi di ferro intrappolano il fosforo perché hanno cariche diverse", ha detto Aristilde. “Gli ossidi di ferro sono caricati positivamente e il fosforo è caricato negativamente. Per questo motivo, ovunque si trovi il fosforo, lo troverete collegato con ossidi di ferro. Nel nostro precedente studio, abbiamo dimostrato che gli ossidi di ferro possono servire come catalizzatore per scindere il fosforo. Poi, volevamo sapere quanto possono staccarsi e quanto velocemente”.

Per esplorare questa domanda, i ricercatori hanno studiato tre tipi comuni di ossidi di ferro: gotita, ematite e ferriidrite. Utilizzando tecniche analitiche avanzate, Aristilde 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 Aristilde ha cercato il fosforo inorganico sia nella soluzione circostante che sulla superficie degli ossidi di ferro. Eseguindo esperimenti per un determinato periodo di tempo 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 Aristilde. Gli enzimi non intrappolano il prodotto; rendono tutto disponibile. Abbiamo scoperto che il goethite era l’unico minerale che non intrappolava tutto il fosforo dopo la reazione.

Il team ha scoperto che ogni tipo di ossido di ferro mostrava vari gradi di attività catalitica per la scissione del fosforo dai ribonucleotidi. Mentre il 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 centro-occidentale degli Stati Uniti, mentre il goethite si trova comunemente nei suoli del sud degli Stati Uniti e del Sud America.