Forscher unter der Leitung der Northwestern University haben einen neuen Weg entdeckt, wie die Natur den Phosphorkreislauf regelt. Diese Entdeckung bringt ein fehlendes Stück des rätselhaften Phosphorkreislaufs der Erde ans Licht.
Die Forschung erscheint in Naturkommunikation.
Phosphor ist ein wichtiger Nährstoff für das Pflanzenwachstum und ein unverzichtbarer Bestandteil von Düngemitteln. Ohne Phosphor können Landwirte die Pflanzengesundheit nicht gewährleisten und die Ernteerträge nicht steigern. Das Verständnis des Phosphorkreislaufs der Erde ist daher wichtig für die Sicherung der globalen Nahrungsmittelversorgung.
Obwohl organische Formen von Phosphor im Boden reichlich vorhanden sind, benötigen Pflanzen und Mikroben anorganischen Phosphor, um ihr eigenes Wachstum anzukurbeln. In der organischen Form ist Phosphor direkt oder indirekt an Kohlenstoffatome gebunden, wobei Sauerstoff als Brücke dient. Daher scheiden Pflanzen und Mikroben Enzyme aus, um die Kohlenstoffbindung im organischen Phosphor aufzubrechen und bioverfügbaren anorganischen Phosphor zu erzeugen.
Während das derzeitige Verständnis des Phosphorkreislaufs davon ausgeht, dass nur Enzyme von Pflanzen und Mikroben diese Umwandlung vorantreiben, zeigt die neue Studie der Northwestern University, dass es auch anders geht. Eisenoxid, ein natürlich vorkommendes Mineral in Böden und Sedimenten, kann die Reaktion durchführen, die organischen Phosphor in die anorganische Form umwandelt. Überraschenderweise stellten die Forscher auch fest, dass Eisenoxidmineralien Phosphor mit einer ähnlichen Rate recyceln wie Enzyme in Böden.
„Derzeit wird Phosphor für Düngemittel hauptsächlich aus dem Bergbau gewonnen“, sagte Ludmilla Aristilde von der Northwestern University, die die Studie leitete. „Phosphor ist eine begrenzte Ressource, die uns irgendwann ausgehen wird. Schätzungen zufolge könnte er schon in 50 oder ein paar hundert Jahren aufgebraucht sein. Wir suchen nach Möglichkeiten, naturbasierte Lösungen für das Phosphorrecycling zu nutzen, denn ohne Phosphor können wir keine Nahrungsmittelsicherheit erreichen. Aber bevor wir das tun können, müssen wir die zugrundeliegenden Mechanismen des natürlichen Phosphorrecyclings verstehen. Wir haben herausgefunden, dass Mineralien in diesem Prozess eine wichtige und bisher unbekannte Rolle spielen.“
Aristilde ist Expertin für die Dynamik organischer Stoffe in Umweltprozessen und außerordentliche Professorin für Umwelttechnik an der McCormick School of Engineering der Northwestern University. 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, Doktorandin in Aristildes Labor, ist Erstautorin des Artikels. Analeise Klein und Wiriya Thongsomboon, ehemalige Postdoktoranden im Labor, sind Mitautoren.
Über die Biologie hinausblicken
Wenn tote Pflanzen oder Mikroben im Boden verrotten, hinterlassen sie eine Reihe von Nährstoffen, darunter DNA und RNA, wichtige Klassen von organischem Phosphor. Mikroben und lebende Pflanzen nutzen Enzyme, um Phosphor aus Nukleotiden – Strukturkomponenten in DNA und RNA – in verrottender organischer Materie abzuspalten, um ihn als recycelten Nährstoff verfügbar zu machen. Bislang gingen die meisten Forscher davon aus, dass die Verwendung von Enzymen der einzige natürliche Mechanismus zum Recycling von organischem Phosphor sei.
Aristilde und ihre Mitarbeiter beschlossen jedoch zu untersuchen, ob möglicherweise ein anderer Mechanismus im Spiel sein könnte.
„Ergebnisse aus Feldstudien zur Umweltdynamik von Phosphor legten nahe, Mechanismen jenseits der Biologie für die Umwandlung von organischem Phosphor in Sedimenten zu berücksichtigen“, sagte Aristilde. „Meine Gruppe begann, Mineralien zu untersuchen, insbesondere Eisenoxide, da bekannt ist, dass sie als Katalysatoren dienen können.“
Der Fall des fehlenden Phosphors
In Laborexperimenten untersuchten Aristilde und ihr Team das Schicksal von Phosphor in Böden und Sedimenten, die Eisenoxidmineralien enthalten. Nach zahlreichen Experimenten und Analysen fanden die Forscher in der Lösung Transformationsprodukte aus der Reaktion. Doch seltsamerweise fehlte ein Teil des anorganischen Phosphors.
Da bekannt ist, dass Eisenoxid Phosphor einfängt, wollte das Team die Mineralien genauer untersuchen. Dazu nutzten sie eine spezielle Röntgentechnik an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, um das Rätsel zu lösen.
„Und siehe da, wir stellten fest, dass der Phosphor an der Oberfläche des Eisenoxids klebte“, sagte Aristilde. „Grundsätzlich können die Mineralien Phosphor aus DNA- und RNA-Molekülen recyceln. Aber nicht der gesamte organische Phosphor wird in die Lösung freigesetzt, da er an der Oberfläche klebt. Mithilfe der Röntgentechnik konnten wir feststellen, dass ein großer Teil des neu erzeugten anorganischen Phosphors mit Eisenoxiden verbunden war.“
Überirdische Einblicke
Anschließend maß Aristildes Team, wie und wie viel anorganischer Phosphor aus Nukleotiden entstand. Die Forscher entdeckten, dass Mineralien Phosphate in einer mit der Biologie vergleichbaren Geschwindigkeit recyceln.
„Wir hatten nicht erwartet, dass die Werte mit denen der Bodenenzyme vergleichbar sind“, sagte Aristilde. „Das ändert unsere Denkweise über das Phosphorrecycling.“
Die neuen Informationen erweitern nicht nur unsere Vorstellungen über den Phosphorkreislauf auf unserem Planeten, sie können uns auch Erkenntnisse über unsere Nachbarplaneten liefern.
„Der Mars ist rot, weil er voller Eisenoxide ist“, sagte Aristilde. „Wenn man feststellt, dass darin anorganischer Phosphor eingeschlossen ist, ist die Frage berechtigt: ‚Könnte dieser Phosphor einen organischen Ursprung haben, der aus Leben entstanden ist?‘“
Mehr Informationen:
Entschlüsselung von Eisenoxiden als abiotische Katalysatoren des organischen Phosphorrecyclings in Boden- und Sedimentmatrizes, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47931-z