氧化铁作为天然催化剂释放磷，为植物生长提供燃料

植物和微生物分泌酶将有机磷转化为生物可利用的无机磷。现在，研究人员报告说，氧化铁可以以与酶相当的速度驱动相同的转化。这项研究为自然界神秘的磷循环补充了另一个缺失的部分，磷循环可以用来促进植物生长。

　　

西北大学的研究人员正在积极推翻铁氧化物仅仅是磷“汇”的传统观点。

磷是生命的关键营养元素，土壤中的大多数磷是有机的——来自植物、微生物或动物的残体。然而，植物需要无机磷——即肥料中存在的那种——作为食物。尽管研究人员传统上认为只有微生物和植物分泌的酶才能将有机磷转化为无机形式，但西北大学的科学家此前发现，自然土壤和沉积物中的铁氧化物也能驱动这种转化。

在一项新的研究中，同一个研究团队发现，铁氧化物不仅仅产生微不足道的这种宝贵资源。实际上，铁氧化物是非常高效的催化剂——能够以与酶反应相当的速率驱动转化。这一发现可以帮助研究人员和行业专家更好地理解磷循环，并优化其在农业土壤中的使用。

这项研究于今天（3月4日）发表在《环境科学与技术》杂志上。

“磷对所有生命形式都是必不可少的，”西北大学的Ludmilla Aristilde说，她领导了这项研究。“DNA的骨架含有磷酸盐。因此，地球上包括人类在内的所有生命都依赖磷来繁衍。这就是为什么我们需要肥料来增加土壤中的磷，否则，我们需要用来养活地球的作物将无法生长。人们对环境中磷的去向有着浓厚的兴趣。”

Aristilde是环境工程学副教授，也是西北大学麦考密克工程学院的专家，同时还是合成生物学中心、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。她实验室的博士生Jade Basinski是这篇论文的第一作者。Aristilde团队的其他博士生和博士后研究人员也为这项工作做出了贡献。

几个世纪以来，农民一直在向他们的田地添加磷以提高作物产量。磷不仅提高了作物质量，还促进了根和种子的形成。植物如果没有磷就无法生存。

然而，有一个问题。植物已经进化到使用最简单、最容易获得的磷形式：无机磷。无机磷是一种植物可以轻松摄取并纳入其代谢的现成分子。然而，环境中的大多数磷是有机的，这意味着它与碳原子结合。为了获取这种磷，植物依赖自身分泌的酶或微生物分泌的酶来打破有机磷中的键并释放可用的无机形式。

在之前的研究中，Aristilde的团队发现，酶并不是唯一可以进行这种基本转化的载体。自然存在于土壤和沉积物中的铁氧化物也可以进行将有机磷转化为无机形式的反应。

在证明铁氧化物为植物获取磷提供了另一条途径后，Aristilde及其团队试图了解这种催化转化的速率和效率。

“铁氧化物会捕获磷，因为它们带有不同的电荷，”Aristilde说。“铁氧化物带正电荷，而磷带负电荷。正因为如此，只要你发现有磷的地方，就会发现它与铁氧化物相连。在我们之前的研究中，我们展示了铁氧化物可以作为催化剂来裂解磷。接下来，我们想知道它们可以裂解多少磷以及速度有多快。”

为了探索这个问题，研究人员研究了三种常见的铁氧化物：针铁矿、赤铁矿和水铁矿。利用先进的分析技术，Aristilde及其团队研究了这些铁氧化物与各种结构的核糖核苷酸之间的相互作用，核糖核苷酸是RNA和DNA的构建模块。在他们的多次实验中，Aristilde团队在铁氧化物周围的溶液中以及铁氧化物表面寻找无机磷。通过在特定时间段内运行实验，并使用不同浓度的核糖核苷酸，团队确定了反应的速率和效率。

“我们得出结论，铁氧化物是‘催化陷阱’，因为它们催化反应以从有机化合物中去除磷酸盐，但将磷酸盐产物困在矿物表面，”Aristilde说。“酶不会困住产物；它们使一切都可用。我们发现针铁矿是唯一一种在反应后没有困住所有磷的矿物。”

该团队发现，每种铁氧化物在从核糖核苷酸中裂解磷方面表现出不同程度的催化活性。针铁矿在含有三个磷的核糖核苷酸中效率更高，而赤铁矿在含有一个磷的核糖核苷酸中效率更高。赤铁矿在美国中西部被发现，而针铁矿通常存在于美国南部和南美洲的土壤中。

接下来，Aristilde的团队将试图了解为什么不同的铁氧化物在催化过程中有不同的效率，以及针铁矿是如何能够释放磷酸盐，而水铁矿和赤铁矿却困住了所有产生的磷酸盐。虽然研究人员最初假设磷化合物的表面结构会起作用，但他们没有发现明显的趋势。现在，他们认为矿物本身的化学性质可能是其成功的关键。

由于磷是一种有限的资源——仅从美国、摩洛哥和中国发现的磷矿石中开采——其供应正在减少。农民和研究人员担心磷最终会变得如此昂贵，以至于会增加整体食品成本，使基本主食变得无法负担。

因此，找到新的方法将被困的有机磷转化为生物可利用的无机磷，对于全球粮食供应至关重要。

“我们的工作为设计和工程化合成催化剂以回收磷提供了垫脚石，”Aristilde说。“我们揭示了一种自然发生的反应。梦想是利用我们的发现，制造催化剂，为我们的粮食安全贡献肥料的生产。”