由西北大学领导的研究人员发现了自然界循环磷的新方式，这一发现揭示了地球磷循环中缺失的一个部分。

该研究将于周四(7 月 18 日)发表在《自然通讯》杂志上。

磷是植物生长的关键营养物质，也是肥料中不可或缺的成分。没有磷，农民就无法确保植物健康并提高作物产量。因此，了解地球的磷循环对于保护全球粮食供应至关重要。

虽然土壤中富含有机磷，但植物和微生物需要无机磷来促进自身生长。有机磷以氧为桥梁，直接或间接地与碳原子连接。因此，植物和微生物会分泌酶来破坏有机磷中的碳键，生成生物可利用的无机磷。

虽然目前对磷循环的理解认为只有植物和微生物中的酶才能推动这种转化，但西北大学的这项新研究表明还有另一种方式。氧化铁是土壤和沉积物中天然存在的矿物质，它可以进行将有机磷转化为无机形式的反应。令人惊讶的是，研究人员还发现氧化铁矿物回收磷的速度与土壤中酶的速度相似。

“目前，肥料中磷的主要来源是采矿，”领导这项研究的西北大学的 Ludmilla Aristilde说。“这是一种有限的资源，我们最终会耗尽。根据一些估计，我们可能在 50 年或几百年后就耗尽了。我们正在研究利用基于自然的解决方案进行磷循环的方法，因为没有它，我们就无法保证粮食安全。但在做到这一点之前，我们需要了解天然磷循环的潜在机制。我们发现矿物质在这个过程中发挥着重要的、以前未知的作用。”

Aristilde 是环境过程中有机物动力学方面的专家，也是西北大学 麦考密克工程学院环境工程副教授。她还是 合成生物学中心、 国际纳米技术研究所 和 Paula M. Trienens 可持续发展与能源研究所的成员。Aristilde 实验室的博士生 Jade Basinski 是该论文的第一作者。实验室前博士后研究员 Analeise Klein 和 Wiriya Thongsomboon 是本文的共同作者。

超越生物学

当死亡的植物或微生物在土壤中腐烂时，它们会留下许多营养物质，包括 DNA 和 RNA，它们是重要的有机磷。微生物和活植物利用酶从腐烂的有机物中的核苷酸(DNA 和 RNA 的结构成分)中裂解磷，使其成为可回收的营养物质。到目前为止，大多数研究人员认为使用酶是自然界回收有机磷的唯一机制。

然而，阿里斯蒂尔德和她的同事决定探索是否有其他机制在发挥作用。

“对磷的环境动态进行实地研究的结果表明，除了生物学之外，沉积物中有机磷的转化机制也值得考虑，”Aristilde 说道。“我的团队开始研究矿物质，特别是氧化铁，因为它们可以作为催化剂。”

磷缺失案

在实验室实验中，Aristilde 和她的团队研究了含有氧化铁矿物的土壤和沉积物中磷的命运。经过多次实验和分析，研究人员在溶液中发现了反应产生的转化产物。但令人奇怪的是，部分无机磷却不见了。

由于已知氧化铁会捕获磷，因此研究小组希望更仔细地检查这些矿物。为此，他们利用斯坦福同步辐射光源的专门 X 射线技术来解开这个谜团。

“我们惊奇地发现，磷附着在氧化铁表面，”Aristilde 说道。“基本上，矿物质可以从 DNA 和 RNA 分子中回收磷。但并非所有有机磷都会释放到溶液中，因为它们附着在表面。X 射线技术让我们发现，新生成的无机磷中有很大一部分与氧化铁有关。”

超凡的洞察力

随后，Aristilde 的团队测量了核苷酸如何生成无机磷以及生成量。研究人员发现，矿物质循环利用磷酸盐的速度与生物相当。

“我们没有想到这些速率与土壤酶的报道速率如此接近，”Aristilde 说。“这改变了我们对磷循环方式的看法。”

这些新信息不仅拓展了我们对地球上磷循环方式的思考，还能为我们了解邻近行星提供新的见解。

“火星是红色的，因为它充满了氧化铁，”阿里斯蒂尔德说。“如果发现其中含有无机磷，那么我们有理由问：‘这些磷有可能是来自生命的有机来源吗?’”

该项研究“揭示氧化铁作为土壤和沉积物基质中有机磷循环的非生物催化剂的作用”得到了美国的支持(奖项编号 DE-SC0021172)。