铁氧化物作为天然催化剂来释放磷，以促进植物生长

作为生命的关键营养素，土壤中的大部分磷是有机的——源自植物、微生物或动物的残骸。但植物需要无机磷——肥料中发现的那种磷——来获取食物。虽然研究人员传统上认为只有微生物和植物的酶能够将有机磷转化为无机形式，但西北大学的科学家们之前发现，自然土壤和沉积物中的铁氧化物能够驱动这种转化。

现在，在一项新研究中，同一研究团队发现铁氧化物并不会产生微不足道的珍贵资源。事实上，铁氧化物是极其高效的催化剂，能够以与酶反应相当的速率推动转化。这一发现可能有助于研究人员和行业专家更好地理解磷循环，并优化其使用，特别是在农业土壤中。

这项研究今天（3月4日）发表在期刊环境科学与技术上。

“磷是所有生命形式必不可少的，”研究的首席作者、西北大学的Ludmilla Aristilde说。“DNA的主干含有磷酸。因此，地球上的所有生命，包括人类，都依赖于磷来繁衍生息。这就是为什么我们需要肥料来增加土壤中的磷。否则，我们需要供养我们星球的作物将无法生长。对理解环境中磷的命运的兴趣是深远的。”

Aristilde是一位擅长研究环境过程中有机物动态的专家，是西北大学麦考密克工程学院的环境工程副教授。她还是合成生物中心、国际纳米技术研究所以及Paula M. Trienens可持续性与能源研究所的成员。Aristilde实验室的博士生Jade Basinski是论文的第一作者。Aristilde团队的其他博士生和博士后研究人员也参与了这项工作。

获取磷的路径

几个世纪以来，农民一直在他们的田野中添加磷，以提高作物产量。磷不仅提高作物品质，还促进根系和种子的形成。植物没有磷就无法生存。

但有一个要点。植物已经进化为使用磷的最简单、最易于获取的形式：无机磷。无机磷就像是一种可以立即使用的分子，植物可以很容易地消耗并融入其代谢中。然而，环境中的大部分磷是有机的，意味着它被碳原子绑定。为了获取这些磷，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化学键，释放出可用的无机形式。

在之前的工作中，Aristilde的团队发现酶并不是唯一可以执行这种重要转化的载体。自然存在于土壤和沉积物中的铁氧化物，同样也能进行将有机磷转化为无机磷的反应。

多少以及多快？

在证明铁氧化物提供了植物获取磷的另一条途径后，Aristilde和她的团队希望了解这种催化转化的速率和效率。

“铁氧化物捕获磷是因为它们具有不同的电荷，”Aristilde说。“铁氧化物是正电荷，而磷是负电荷。因此，任何地方你发现磷，你都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，速度有多快。”

为了探讨这个问题，研究人员研究了三种常见类型的铁氧化物：针铁矿、赤铁矿和氢氧化铁。利用先进的分析技术，Aristilde和她的团队研究了这些铁氧化物与各种核糖核苷酸结构之间的相互作用，核糖核苷酸是RNA和DNA的基本组成部分。在他们的多次实验中，Aristilde的团队在周围溶液和铁氧化物的表面寻找无机磷。通过在特定时间段内以不同浓度的核糖核苷酸进行实验，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，从有机化合物中去除磷酸盐，但把磷酸盐产物捕获在矿物表面，”Aristilde说。“酶并不捕获产物；它们使一切都可用。我们发现针铁矿是唯一在反应后没有捕获所有磷的矿物。”

团队发现，每种类型的铁氧化物在从核糖核苷酸中裂解磷的催化活性上表现不同程度。虽然针铁矿在处理含有三个磷的核糖核苷酸时更有效，但赤铁矿在处理含有一个磷的核糖核苷酸时更有效。赤铁矿主要存在于美国中西部，而针铁矿普遍存在于美国南部和南美的土壤中。

下一步

接下来，Aristilde的团队将寻求理解为什么不同的铁氧化物在催化过程中效率不同，以及针铁矿如何能够释放磷酸盐，而氢氧化铁和赤铁矿则捕获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可能起作用，但他们没有发现明确的趋势。现在，他们认为矿物本身的化学性质可能是其成功的秘密。

由于磷是一种有限的资源——只从美国、摩洛哥和中国的磷矿中开采，因此其供应正在逐渐减少。农民和研究人员担心磷最终会变得如此昂贵，以至于增加整体食品成本，使基本食品变得无法负担。

因此，寻找将被困的有机磷转化为生物可用无机磷的新方法，对全球粮食供应至关重要。

“我们的工作为设计和工程合成催化剂提供了一块垫脚石，作为循环利用磷的方式，”Aristilde说。“我们发现了一种自然发生的反应。梦想是利用我们的发现作为生产肥料以保障我们食品安全的催化剂的途径。”