科学家们发现，先前被认为能固定磷的氧化物实际上有助于将其转化为对植物有益的形式，其作用与酶相似。

这一颠覆性的发现可能会提高化肥利用效率，确保未来粮食生产。

重新审视磷循环中的氧化铁

西北大学的研究人员正在对人们长期持有的氧化物只是固定磷元素的观点提出质疑。相反，他们的研究表明氧化物实际上有助于将磷转化为植物可利用的形态。

磷对生命至关重要，但土壤中的磷大多以有机形式存在——与植物、微生物或动物的残骸结合在一起。然而，植物只能吸收无机磷，也就是肥料中所含的那种磷。直到最近，科学家们还认为，只有微生物和植物中的酶才能将有机磷分解成可使用的无机形式。但西北大学先前的研究表明，土壤和沉积物中天然存在的氧化铁也能促成这一关键转化。

氧化铁：大自然的隐形催化剂

在其最新研究中，研究团队发现，氧化物不仅是这一过程中的次要参与者，而且是高效催化剂，其促进磷转化的速率与酶类似。这一发现为磷循环带来了新的启示，并有助于改善土壤管理和肥料使用，特别是在农业领域。

相关研究结果已于 3 月 4 日发表在《环境科学与技术》期刊上。

解开磷元素之谜

“磷对所有生命形式都至关重要，”西北大学的Ludmilla Aristilde说道，她主导了这项研究。“DNA的主链含有磷酸盐。因此，地球上包括人类在内的所有生命都依赖磷才能茁壮成长。这就是为什么我们需要化肥来增加土壤中的磷含量。否则，我们赖以养活全人类的庄稼将无法生长。人们迫切想了解磷在环境中的归宿。”

阿里斯蒂尔德（Aristilde）教授专长于环境过程中有机物的动力学研究，是西北大学麦考密克工程学院（McCormick School of Engineering）环境工程学的副教授。同时，她还是合成生物学研究中心、国际纳米技术研究所及波拉·M·特瑞恩斯可持续与能源研究所的成员。论文的第一作者是阿里斯蒂尔德实验室的哲学博士研究生杰德·巴西斯基（Jade Basinski）。阿里斯蒂尔德团队中的其他哲学博士研究生及博士后研究员也为本文做出了贡献。

获取磷的途径

几个世纪以来，农民们一直在田地里增施磷肥以提高作物产量。磷肥不仅能提高作物品质，还能促进根系和种子的形成。植物离了它根本无法存活。

但有个问题。植物已经进化到能够利用最简单、最易获得形态的磷：无机磷。无机磷就像是一种即拿即用的分子，植物可以轻松吸收并将其纳入自身的新陈代谢中。然而，环境中大多数的磷是有机磷，意味着它与碳原子结合。为了获取这种磷，植物依靠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态。

在之前的研究中，阿里斯蒂德的团队发现，酶并不是唯一能进行这种重要转化的载体。天然存在于土壤和沉积物中的氧化铁也能进行将有机磷转化为无机磷的反应。

多少以及多快？

在证明了铁的氧化物为植物获取磷元素提供了另一种途径后，阿里斯蒂尔德（Aristilde）及其团队试图了解这种催化转化的速率和效率。

亚里斯泰德（Aristilde）说：“铁氧化物能吸附磷，因为它们带有不同的电荷。铁氧化物带正电荷，而磷带负电荷。因此，无论在哪里发现磷，你都会发现它与铁氧化物结合在一起。在我们之前的研究中，我们发现铁氧化物可以作为催化剂来分解磷。接下来，我们想知道它们能分解多少磷以及分解速度有多快。”

为了探究这一问题，研究人员研究了三种常见的铁氧化物：针铁矿、赤铁矿和水铁矿。阿里斯蒂尔德（Aristilde）及其团队采用先进的分析技术，研究了这些铁氧化物与核糖核苷酸各种结构之间的相互作用，核糖核苷酸是RNA和DNA的基本组成单位。在多次实验中，阿里斯蒂尔德的团队在周围溶液和铁氧化物表面寻找无机磷。通过在不同时间段以及不同核糖核苷酸浓度下进行实验，团队确定了反应的速率和效率。

揭开氧化铁的神秘面纱

阿里斯蒂尔德（Aristilde）说：“我们得出的结论是，铁的氧化物是‘催化陷阱’，因为它们能催化从有机化合物中去除磷酸盐的反应，但磷酸盐产物会被截留在矿物表面。酶不会截留产物，而是让所有的物质都能发挥作用。我们发现，针铁矿是反应后唯一不会截留所有磷的矿物。”

研究小组发现，每种类型的氧化铁在将核糖核苷酸中的磷裂解方面都表现出不同程度的催化活性。其中，针铁矿对含有三个磷原子的核糖核苷酸的催化效率更高，而赤铁矿对含有一个磷原子的核糖核苷酸的催化效率更高。赤铁矿位于美国中西部，而针铁矿通常分布在美国南部和南美洲的土壤中。

磷元素研究的下一步是什么？

接下来，阿里斯蒂德的团队将致力于研究为什么不同的氧化铁在催化过程中的效率不同，以及针铁矿是如何释放磷酸盐的，而水铁矿和赤铁矿却能吸附所有产生的磷酸盐。研究人员最初假设磷化合物的表面结构会起作用，但他们并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诀。

由于磷是一种有限资源（仅能从美国、摩洛哥和中国出产的磷矿石中开采），其供应量正在不断减少。农民和研究人员担心，磷的价格最终会飙升至令整体粮食成本增加的水平，从而导致基本主粮价格变得令人难以承受。

因此，找到将固化的有机磷转化为生物可利用的无机磷的新方法，对于全球粮食供应至关重要。

迈向更加可持续的未来

阿里斯蒂尔德说：“我们的工作为设计和合成一种作为磷回收途径的催化剂提供了垫脚石。我们发现了一种自然发生的反应。我们的梦想是利用我们的发现，将其作为制造催化剂的方法，从而为保障我们的粮食安全而生产肥料。”

参考文献：《铁氧化物矿物模拟酶促核糖核苷酸去磷酸化的催化参数定量基准测试》，作者：杰德·J·巴斯金斯基、莎伦·E·博恩、奥罗尔·尼伊唐加·曼齐、娜斯琳·纳德里·贝尼、费尔南多·R·托比亚斯、马科斯·桑切斯、辛西娅·X·程、薇丽雅·通松布恩和卢德米拉·阿里斯蒂尔德，发表于2025年3月4日《环境科学与技术》期刊。DOI：10.1021/acs.est.4c12049

这项名为“氧化铁矿物模拟核糖核苷酸去磷酸化的催化参数的定量基准测试”的研究得到了美国能源部（批准号 SC0021172）和西北纳米技术国际研究所的支持。