איור של ביקוע זרחן מביומולקולות שונות על פני השטח של חלקיקי תחמוצת ברזל טבעיים. קרדיט: קבוצת המחקר אריסטילדה/אוניברסיטת נורת'ווסטרן
מחקר חדש מגלה כי תחמוצת ברזל בקרקעות יכולה למחזר זרחן מחומרים אורגניים.
מחקר חדש של האוניברסיטה הצפון מערבית מדגים שמינרלים של תחמוצת ברזל בקרקעות יכולים להפוך זרחן אורגני למצבו האנאורגני, ומאתגר את האמונה הקודמת שרק אנזימים ביולוגיים יכולים לבצע את השינוי הזה. ממצא זה חיוני לפיתוח שיטות בנות קיימא של מיחזור זרחן.
שיטת רכיבה על אופניים זרחנית חדשה
חוקרים בראשות אוניברסיטת נורת'ווסטרן גילו דרך חדשה שבה הטבע מעביר זרחן במחזוריות, ממצא שחשף חלק חסר ממחזור הזרחן התמוה של כדור הארץ.
המחקר יתפרסם היום (18 ביולי) בכתב העת תקשורת טבע.
חומר תזונתי קריטי לצמיחת צמחים, זרחן הוא מרכיב בלתי סחיר של דשנים. בלעדיו, החקלאים לא יכולים להבטיח את בריאות הצומח ולהגביר את תפוקת היבול. הבנת מחזור הזרחן של כדור הארץ, אפוא, חשובה להגנה על אספקת המזון העולמית.
למרות שצורות אורגניות של זרחן מצויות בשפע בקרקעות, צמחים וחיידקים זקוקים לזרחן אנאורגני כדי לדרבן את הצמיחה שלהם. בצורה האורגנית, זרחן מחובר לאטומי פחמן באופן ישיר או עקיף, תוך שימוש בחמצן כגשר. אז, צמחים וחיידקים מפרישים אנזימים כדי לשבור את קשר הפחמן בזרחן אורגני כדי ליצור זרחן אי-אורגני זמין ביולוגי.
תפקידה של תחמוצת הברזל בטרנספורמציה של זרחן
בעוד שההבנה הנוכחית של מחזור הזרחן מניחה שרק אנזימים מצמחים וחיידקים מניעים את השינוי הזה, המחקר החדש של Northwestern מראה שיש דרך אחרת. תחמוצת ברזל, מינרל הקיים באופן טבעי בקרקעות ובמשקעים, יכול לבצע את התגובה ההופכת זרחן אורגני ליצירת הצורה האנאורגנית. באופן מפתיע, החוקרים מצאו גם שמינרלים של תחמוצת ברזל ממחזרים זרחן בקצב דומה לזה שדווח על אנזימים בקרקעות.
"נכון לעכשיו, המקור העיקרי של זרחן לדשנים הוא מהכרייה", אמרה לודמילה אריסטילדה מצפון ווסטרן, שהובילה את העבודה. "זהו משאב סופי שבסופו של דבר ייגמר לנו. על פי כמה הערכות, אנו עלולים להיגמר תוך 50 שנה או בעוד כמה מאות שנים. אנו בוחנים דרכים למנף פתרונות מבוססי טבע למיחזור זרחן, כי אין לנו ביטחון תזונתי בלעדיו. אבל, לפני שנוכל לעשות זאת, עלינו להבין את המנגנונים הבסיסיים של מיחזור זרחן טבעי. גילינו שלמינרלים תפקיד חשוב, ולא ידוע קודם לכן, בתהליך".
אריסטילדה, מומחית בדינמיקה של רכיבים אורגניים בתהליכים סביבתיים, היא פרופסור חבר להנדסת סביבה בבית הספר להנדסה ב-Northwestern McCormick. היא גם חברה במרכז לביולוגיה סינתטית, במכון הבינלאומי לננוטכנולוגיה ובמכון פאולה מ. טרייננס לקיימות ואנרגיה. ג'ייד בסינסקי, Ph.D. סטודנט במעבדה של אריסטילדה, הוא המחבר הראשון של העיתון. אנאליס קליין וויריה תונגסומבון, חוקרים לשעבר בתר-דוקטורט במעבדה, תורמים מחברים.
מבט מעבר לביולוגיה
כאשר צמחייה מתה או חיידקים מתפוררים באדמה, הם משאירים אחריהם מספר חומרי הזנה, כולל DNA ו RNA, שהם מחלקות חשובות של זרחן אורגני. חיידקים וצמחים חיים משתמשים באנזימים כדי לבקע זרחן מנוקלאוטידים – רכיבים מבניים ב-DNA ו-RNA – בחומר אורגני מתכלה כדי להפוך אותו זמין כחומר מזין ממוחזר. עד כה, רוב החוקרים הניחו שהשימוש באנזימים הוא המנגנון היחיד של הטבע למיחזור זרחן אורגני.
עם זאת, אריסטילדה ומשתפי הפעולה שלה החליטו לחקור אם מנגנון אחר עשוי להיות משחק.
"ממצאים ממחקרי שדה על הדינמיקה הסביבתית של זרחן הציעו לשקול מנגנונים מעבר לביולוגיה להפיכת זרחן אורגני במשקעים", אמר אריסטילדה. "הקבוצה שלי התחילה להסתכל על מינרלים, במיוחד תחמוצות ברזל, כי ידוע שהם מסוגלים לשמש כזרזים."
מקרה הזרחן החסר
בניסויי מעבדה חקרו אריסטילדה וצוותה את גורלו של זרחן בקרקעות ובמשקעים המכילים מינרלים של תחמוצת ברזל. לאחר הפעלת ניסויים וניתוחים מרובים, החוקרים מצאו תוצרי טרנספורמציה מהתגובה בתמיסה. אבל חלק מהזרחן האי-אורגני היה חסר באופן מוזר.
מכיוון שידוע כי תחמוצת ברזל לוכדת זרחן, הצוות רצה לבחון את המינרלים מקרוב יותר. לשם כך, הם השתמשו בטכניקת קרני רנטגן מיוחדת במקור האור של קרינת סינכרוטרון של סטנפורד כדי לפתור את התעלומה.
"הנה, גילינו שהזרחן נצמד לפני השטח של תחמוצת הברזל", אמר אריסטילדה. "בעיקרון, המינרלים יכולים למחזר זרחן ממולקולות DNA ו-RNA. אבל לא כל הזרחן האורגני משתחרר בתמיסה כי הוא דבוק לפני השטח. טכניקת הרנטגן אפשרה לנו לגלות שחלק גדול מהזרחן האי-אורגני החדש שנוצר היה קשור לתחמוצות ברזל".
תובנות מהעולם האחר
הצוות של אריסטילדה מדד אז איך – וכמה – זרחן אנאורגני הופק מנוקלאוטידים. החוקרים גילו שמינרלים ממחזרים פוספטים בקצב דומה לביולוגיה.
"לא ציפינו שהשיעורים יהיו כה דומים לאלה שדווחו עבור אנזימי קרקע", אמר אריסטילדה. "זה משנה את הדרך בה אנו חושבים על אופן מיחזור הזרחן."
לא רק שהמידע החדש ירחיב את הדרך בה אנו חושבים על מחזוריות הזרחן על הפלנטה שלנו, הוא גם יכול לספק תובנות לגבי כוכבי הלכת השכנים שלנו.
"מַאְדִים הוא אדום כי הוא מלא בתחמוצות ברזל," אמר אריסטילדה. "אם נמצא זרחן לא אורגני כלוא בתוכם, סביר לשאול: 'האם לזרחן הזה יכול להיות מקור אורגני מהחיים?'".
המחקר נתמך על ידי משרד האנרגיה האמריקאי (מספר פרס DE-SC0021172).
