IJzeroxiden als natuurlijke katalysatoren voor fosforontsluiting ter ondersteuning van de plantengroei

Onderzoekers van Northwestern University herzien het traditionele beeld van ijzeroxiden als loutere fosfor “putten”. Fosfor is een essentieel voedingsstof voor het leven en het merendeel van de fosfor in de bodem is organisch, afkomstig van resten van planten, microben of dieren. Planten hebben echter anorganische fosfor nodig, de soort die in meststoffen wordt aangetroffen, om te kunnen groeien.

Traditioneel werd gedacht dat alleen enzymen van microben en planten organische fosfor konden omzetten naar de anorganische vorm. Onderzoekers van Northwestern hebben echter ontdekt dat ijzeroxiden in natuurlijke bodems en sedimenten ook deze omzetting kunnen stimuleren. In een nieuwe studie vond hetzelfde onderzoeksteam dat ijzeroxiden niet slechts een verwaarloosbare hoeveelheid van deze waardevolle hulpbron genereren. Sterker nog, ijzeroxiden zijn ongelooflijk efficiënte katalysatoren die in staat zijn om de omzetting uit te voeren met snelheden die vergelijkbaar zijn met de reacties van enzymen. Deze ontdekking kan onderzoekers en experts in de industrie helpen om de fosforcyclus beter te begrijpen en het gebruik ervan te optimaliseren, vooral in landbouwgronden.

“Fosfor is essentieel voor alle levensvormen,” zei Ludmilla Aristilde van Northwestern, die de studie leidde. “De ruggengraat van DNA bevat fosfaat. Dus, al het leven op aarde, inclusief mensen, is afhankelijk van fosfor om te gedijen. Daarom hebben we meststoffen nodig om fosfor in de bodems te verhogen. Anders zullen de gewassen die we nodig hebben om onze planeet te voeden niet groeien. Er is een diepgaande interesse in het begrijpen van de bestemming van fosfor in het milieu.”

Aristilde is een expert in de dynamiek van organische stoffen in milieuprocessen en is universitair hoofddocent milieutechniek aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. Ze is ook lid van het Center for Synthetic Biology, het International Institute for Nanotechnology en het Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Jade Basinski, een Ph.D.-student in het laboratorium van Aristilde, is de eerste auteur van het artikel.

Toegang tot fosfor
Al eeuwenlang hebben boeren fosfor aan hun velden toegevoegd om de opbrengst van gewassen te verbeteren. Het versterkt niet alleen de kwaliteit van de gewassen, maar bevordert ook de vorming van wortels en zaden. Planten kunnen letterlijk niet overleven zonder fosfor.

Er is echter een addertje onder het gras. Planten hebben zich ontwikkeld om fosfor in zijn eenvoudigste, meest beschikbare vorm te gebruiken: anorganische fosfor. Anorganische fosfor is als een direct bruikbare molecuul dat planten gemakkelijk kunnen opnemen en incorporeren in hun metabolisme. De meeste fosfor in het milieu is echter organisch, wat betekent dat het gebonden is aan koolstofatomen. Om toegang te krijgen tot deze fosfor, vertrouwen planten op hun eigen uitgescheiden enzymen of enzymen van microben om de bindingen in organische fosfor te verbreken en de bruikbare anorganische vorm vrij te geven.

In eerder onderzoek ontdekte het team van Aristilde dat enzymen niet de enige middelen zijn die deze essentiële omzetting kunnen uitvoeren. Van nature aanwezig in bodems en sedimenten, kunnen ook ijzeroxiden de reactie uitvoeren die organische fosfor omzet naar de anorganische vorm.

Snelheid en efficiëntie van de omzetting
Na te hebben bewezen dat ijzeroxiden een alternatieve route bieden voor planten om toegang te krijgen tot fosfor, zocht Aristilde en haar team naar de snelheid en efficiëntie van deze katalytische omzetting. “Ijzeroxiden vangen fosfor omdat ze verschillende ladingen hebben,” zei Aristilde. “Ijzeroxiden zijn positief geladen, terwijl fosfor negatief geladen is. Daarom vind je overal waar fosfor is, het gekoppeld aan ijzeroxiden.”

Om deze vraag te verkennen, onderzochten de onderzoekers drie veelvoorkomende soorten ijzeroxiden: goethiet, hematiet en ferrihydriet. Met geavanceerde analytische technieken bestudeerden Aristilde en haar team de interacties tussen deze ijzeroxiden en verschillende structuren van ribonucleotiden, die de bouwstenen zijn van RNA en DNA. In hun experimenten zochten ze naar anorganische fosfor in de omliggende oplossing en op het oppervlak van de ijzeroxiden.

Het team ontdekte dat elke soort ijzeroxide verschillende niveaus van katalytische activiteit vertoonde voor het cleaven van fosfor uit de ribonucleotiden. Terwijl goethiet efficiënter was met ribonucleotiden die drie fosfor bevatten, was hematiet efficiënter met ribonucleotiden die één fosfor bevatten.

Wat komt er nu?
Het team van Aristilde zal nu proberen te begrijpen waarom verschillende ijzeroxiden verschillende efficiëntie hebben in het katalyseproces en hoe goethiet in staat is om het fosfaat vrij te geven terwijl ferrihydriet en hematiet al het geproduceerde fosfaat vasthouden. “Onze bevindingen bieden een springplank voor het ontwerpen en ontwikkelen van een synthetische katalysator als een manier om fosfor te recyclen,” aldus Aristilde. “We hebben een reactie ontdekt die van nature plaatsvindt.”

Omdat fosfor een eindige hulpbron is—gemijnd uit fosfaatgesteente dat alleen in de Verenigde Staten, Marokko en China te vinden is—neemt de voorraad af. Boeren en onderzoekers maken zich zorgen dat fosfor uiteindelijk zo duur wordt dat het de totale voedselkosten zal verhogen, waardoor basisproducten onbetaalbaar worden. Het vinden van nieuwe manieren om gevangen organische fosfor om te zetten in bio-beschikbare anorganische fosfor is daarom van vitaal belang voor de wereldwijde voedselvoorziening.