Des chercheurs dirigés par l’Université Northwestern ont découvert une nouvelle façon dont la nature recycle le phosphore, une découverte qui révèle un élément manquant du cycle déroutant du phosphore sur Terre.
La recherche apparaît dans Nature Communications.
Le phosphore est un élément nutritif essentiel à la croissance des plantes et un composant incontournable des engrais. Sans lui, les agriculteurs ne peuvent pas assurer la santé des plantes et augmenter le rendement des cultures. Il est donc important de comprendre le cycle du phosphore sur Terre pour protéger l’approvisionnement alimentaire mondial.
Bien que les formes organiques du phosphore soient abondantes dans les sols, les plantes et les microbes ont besoin de phosphore inorganique pour stimuler leur propre croissance. Sous sa forme organique, le phosphore est relié aux atomes de carbone directement ou indirectement, en utilisant l’oxygène comme pont. Ainsi, les plantes et les microbes sécrètent des enzymes pour rompre la liaison carbone du phosphore organique afin de générer du phosphore inorganique biodisponible.
Bien que les connaissances actuelles sur le cycle du phosphore supposent que seules les enzymes des plantes et des microbes sont à l’origine de cette transformation, la nouvelle étude de Northwestern montre qu’il existe une autre voie. L’oxyde de fer, un minéral naturellement présent dans les sols et les sédiments, peut effectuer la réaction qui transforme le phosphore organique en forme inorganique. Étonnamment, les chercheurs ont également découvert que les minéraux d’oxyde de fer recyclent le phosphore à un rythme similaire à celui des enzymes des sols.
« Actuellement, la principale source de phosphore pour les engrais est l’exploitation minière », a déclaré Ludmilla Aristilde, de Northwestern, qui a dirigé les travaux. « C’est une ressource limitée dont nous finirons par nous épuiser. Selon certaines estimations, nous pourrions en manquer d’ici 50 ou 200 ans. Nous cherchons des moyens de tirer parti des solutions naturelles pour le recyclage du phosphore, car nous ne pouvons pas assurer notre sécurité alimentaire sans lui. Mais avant de pouvoir le faire, nous devons comprendre les mécanismes sous-jacents du recyclage naturel du phosphore. Nous avons découvert que les minéraux jouent un rôle important, jusqu’alors inconnu, dans ce processus. »
Aristilde est une experte de la dynamique des composés organiques dans les processus environnementaux. Elle est professeure agrégée d’ingénierie environnementale à la McCormick School of Engineering de Northwestern. Elle est également membre du Center for Synthetic Biology, de l’International Institute for Nanotechnology et du Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Jade Basinski, doctorante dans le laboratoire d’Aristilde, est la première auteure de l’article. Analeise Klein et Wiriya Thongsomboon, anciennes chercheuses postdoctorales du laboratoire, sont les coauteures.
Au-delà de la biologie
Lorsque des végétaux morts ou des microbes se décomposent dans le sol, ils laissent derrière eux un certain nombre de nutriments, notamment l’ADN et l’ARN, qui sont des classes importantes de phosphore organique. Les microbes et les plantes vivantes utilisent des enzymes pour séparer le phosphore des nucléotides (composants structurels de l’ADN et de l’ARN) de la matière organique en décomposition afin de le rendre disponible sous forme de nutriment recyclé. Jusqu’à présent, la plupart des chercheurs pensaient que l’utilisation d’enzymes était le seul mécanisme naturel de recyclage du phosphore organique.
Aristilde et ses collaborateurs ont cependant décidé d’explorer si un autre mécanisme pourrait être en jeu.
« Les résultats des études de terrain sur la dynamique environnementale du phosphore suggèrent de considérer des mécanismes autres que biologiques pour la transformation du phosphore organique dans les sédiments », a déclaré Aristilde. « Mon groupe a commencé à s’intéresser aux minéraux, en particulier aux oxydes de fer, car ils sont connus pour pouvoir servir de catalyseurs. »
L’affaire du phosphore manquant
Au cours d’expériences en laboratoire, Aristilde et son équipe ont étudié le devenir du phosphore dans les sols et les sédiments contenant des minéraux d’oxyde de fer. Après avoir mené de nombreuses expériences et analyses, les chercheurs ont trouvé des produits de transformation issus de la réaction dans la solution. Mais curieusement, une partie du phosphore inorganique manquait.
L’oxyde de fer étant connu pour piéger le phosphore, l’équipe a voulu examiner ces minéraux de plus près. Pour ce faire, ils ont utilisé une technique de rayons X spécialisée au Stanford Synchrotron Radiation Lightsource pour résoudre le mystère.
« Nous avons découvert que le phosphore s’accrochait à la surface de l’oxyde de fer », explique Aristilde. « En fait, les minéraux peuvent recycler le phosphore des molécules d’ADN et d’ARN. Mais tout le phosphore organique n’est pas libéré dans la solution, car il reste collé à la surface. La technique des rayons X nous a permis de découvrir qu’une grande partie du phosphore inorganique nouvellement généré était associée aux oxydes de fer. »
Des aperçus d’un autre monde
L’équipe d’Aristilde a ensuite mesuré comment et dans quelle quantité le phosphore inorganique était produit à partir des nucléotides. Les chercheurs ont découvert que les minéraux recyclent les phosphates à un rythme comparable à celui de la biologie.
« Nous ne nous attendions pas à ce que les taux soient aussi comparables à ceux observés pour les enzymes du sol », a déclaré Aristilde. « Cela change notre façon de penser le recyclage du phosphore. »
Non seulement ces nouvelles informations élargiront notre façon de penser sur le cycle du phosphore sur notre planète, mais elles peuvent également fournir des informations sur nos planètes voisines.
« Mars est rouge parce qu’elle est pleine d’oxydes de fer », explique Aristilde. « Si l’on découvre que du phosphore inorganique est piégé dans ces oxydes, il est raisonnable de se demander : « Ce phosphore pourrait-il avoir une origine organique venant de la vie ? » »
Plus d’information:
Décrypter les oxydes de fer comme catalyseurs abiotiques du recyclage du phosphore organique dans les matrices de sol et de sédiments, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47931-z