Forskere finder naturens backup-plan for at omdanne nitrogen til plantenæringsstoffer

Selvom nitrogen er essentielt for alle levende organismer - det udgør 3% af den menneskelige krop - og udgør 78% af Jordens atmosfære, det er næsten ironisk nok svært for planter og naturlige systemer at få adgang til det.

Atmosfærisk nitrogen er ikke direkte anvendeligt af de fleste levende ting. I naturen, specialiserede mikrober i jord og vand omdanner nitrogen til ammoniak - en afgørende form for nitrogen, som livet nemt kan få adgang til - gennem en proces kaldet nitrogenfiksering. I landbruget, sojabønner og andre bælgplanter, der letter nitrogenfiksering, kan plantes for at genoprette jordens frugtbarhed.

En yderligere hindring i processen med at gøre nitrogen tilgængelig for de planter og økosystemer, der er afhængige af det, er, at mikrobielle nitrogen-"fiksere" inkorporerer et komplekst protein kaldet nitrogenase, der indeholder en metalrig kerne. Eksisterende forskning har fokuseret på nitrogenaser, der indeholder et bestemt metal, molybdæn.

Den ekstremt lille mængde molybdæn, der findes i jorden, imidlertid, har rejst bekymring over de naturlige grænser for kvælstofbinding på land. Forskere har undret sig over, hvilke begrænsninger manglen på molybdæn sætter for naturens evne til at genoprette økosystemets frugtbarhed i kølvandet på menneskeskabte forstyrrelser, eller efterhånden som folk i stigende grad søger efter agerjord for at brødføde en voksende befolkning.

Princeton University-forskere har fundet beviser for, at andre metaller kan lette nitrogenfiksering, når molybdæn er knap, hvilket tyder på, at processen kan være mere modstandsdygtig end tidligere antaget, ifølge en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences . Arbejder i en 372 mil (600 kilometer) strækning af boreal skov i Canada, forskerne fandt ud af, at nitrogenfiksering i økosystemskala også kan katalyseres af metallet vanadium, især i nordlige områder med begrænset naturlig kvælstoftilførsel.

"Dette arbejde foranlediger en større revision af vores forståelse af, hvordan mikronæringsstoffer styrer økosystemets nitrogenstatus og frugtbarhed, " sagde seniorforfatter Xinning Zhang, assisterende professor i geovidenskab og Princeton Environmental Institute.

"Vi har brug for at vide mere om, hvordan nitrogenfiksering manifesterer sig i form af næringsstofbudgetter, cykling og biodiversitet, " sagde hun. "En konsekvens af dette fund er, at nuværende estimater af mængden af ​​kvælstoftilførsel til boreale skove gennem fiksering kan være betydeligt undervurderet. Dette er et vigtigt spørgsmål for vores forståelse af næringsstofbehov for skovøkosystemer, som i øjeblikket fungerer som et vigtigt dræn for menneskeskabt kulstof."

Første forfatter Romain Darnajoux, en postdoc-forsker i Zhangs forskningsgruppe, forklaret, at resultaterne validerer en længe holdt hypotese i det videnskabelige samfund om, at der findes forskellige metalvarianter af nitrogenase, så organismer kan klare ændringer i metaltilgængeligheden. Forskerne fandt ud af, at vanadium-baseret nitrogenfiksering kun var væsentlig, når miljømæssige molybdænniveauer var lave.

"Det ser ud til, at naturen udviklede backup-metoder for at opretholde økosystemets frugtbarhed, når miljøet er variabelt, "Darnajoux sagde. "Hvert nitrogen-cyklustrin involverer et enzym, der kræver særlige spormetaller for at virke. Molybdæn og jern er typisk i fokus for videnskabelige undersøgelser, fordi de anses for at være essentielle i det nitrogenfikserende enzym nitrogenase. Imidlertid, en vanadium-baseret nitrogenase findes også, men nitrogeninput fra dette enzym er desværre stort set blevet ignoreret."

Darnajoux og Zhang arbejdede sammen med Nicolas Magain og Francois Lutzoni ved Duke University og Marie Renaudin og Jean-Philippe Bellenger ved University of Sherbrooke i Québec.

Forskernes resultater tyder på, at de nuværende estimater af kvælstoftilførsel til boreale skove gennem fiksering er sørgeligt lave, hvilket ville undervurdere nitrogenbehovet for robust plantevækst, sagde Darnajoux. Boreale skove hjælper med at afbøde klimaændringer ved at fungere som et dræn for menneskeskabt kulstof. Selvom disse nordlige skove ikke ser så mange menneskelige besøgende som selv den lettest befolkede metropol, menneskelige aktiviteter kan stadig have stor indflydelse på skovenes frugtbarhed gennem den atmosfæriske transport af luftforurening fyldt med nitrogen og metaller som molybdæn og vanadium.

"Menneskelige aktiviteter, der væsentligt ændrer luftkvaliteten, kan have en vidtrækkende indflydelse på, hvordan selv fjerntliggende økosystemer fungerer, " sagde Zhang. "Resultaterne fremhæver betydningen af ​​luftforurening i at ændre mikronæringsstof- og makronæringsstofdynamikken. Fordi luft er en global fællesværdi, sammenhængen mellem metaller og nitrogenkredsløb og luftforurening har nogle interessante politiske og forvaltningsmæssige dimensioner."

Forskernes resultater kunne hjælpe med udviklingen af ​​mere præcise klimamodeller, som ikke eksplicit indeholder oplysninger om molybdæn eller vanadium i simuleringer af den globale strøm af nitrogen gennem jorden, hav og atmosfære.

Betydningen af ​​vanadium-drevet nitrogenfiksering strækker sig til andre høje breddegrader, og mest sandsynligt til tempererede og tropiske systemer, Darnajoux og Zhang sagde. Tærsklen for mængden af ​​molybdæn et økosystem har brug for for at aktivere eller deaktivere vanadiumnitrogenfiksering, som de fandt i deres undersøgelse, svarede bemærkelsesværdigt til molybdænkravene til nitrogenfiksering fundet for prøver, der spænder over forskellige biomer.

Forskerne vil fortsætte søgen efter vanadiumbaseret nitrogenfiksering på de nordlige breddegrader. De har også rettet blikket mod områder tættere på hjemmet, initiering af undersøgelser af mikro- og makronæringsstofdynamik i tempererede skove i New Jersey, og de planlægger at udvide deres arbejde til tropiske systemer.

Papiret, "Molybdæntærskel for alternativ vanadiumnitrogenaseaktivitet i økosystemskala i boreale skove, " blev udgivet af Proceedings of the National Academy of Science online forud for tryk den 11. nov.