Reining i jordens nitrogenkemi

Tag en tur ned i jorden under en mark af afgrøder. Du finder ikke kun snavs, vand, og uhyggelige kravler. Du vil også finde reaktioner, der minder dig om gymnasiets kemilaboratorium.

Mange forskere studerer reaktionerne af grundstoffer og forbindelser i jorden, især fordi nogle, som nitrogen, kræves af planter for at vokse. Nitrogen tilsættes ofte jorden som gødning. Imidlertid, ikke al tilført kvælstof kan bruges af planter.

Den sammensatte urinstof er i øjeblikket den mest populære kvælstofjordgødning. Det er en måde at få planterne det nitrogen, de skal bruge for at vokse. Selvom nitrogenet i urinstof ikke er direkte anvendeligt af planter, når urinstof er i jorden, gennemgår det en kemisk reaktion, der producerer ammonium, en kvælstofrig forbindelse, der dermed bliver tilgængelig til plantenæring. Katalysatoren, der er ansvarlig for denne reaktion, er et enzym kaldet urease. Dette enzym produceres af mikroorganismer i jorden.

Der er kun et problem med urease:det virker for godt!

"Reaktionerne, som urinstof gennemgår, er alt for hurtige, på grund af virkningen af ​​urease, " siger Stefano Ciurli. Ciurli er professor i kemi ved afdelingen for farmaci og bioteknologi på universitetet i Bologna, Italien. "Urease accelererer dannelsen af ​​nitrogenholdige forbindelser, der hurtigt forsvinder i miljøet i stedet for at blive absorberet af planter."

Det er vigtigt at kontrollere, hvor hurtigt ureasen fremskynder processen, for at hjælpe planterne med at få så meget nitrogen som muligt. Dette gøres normalt ved at modificere urinstofgødningen for at mindske ureaseaktiviteten. Ciurli og hans team studerer disse teknikker. De søgte at bevise, om belægning af urinstofgødningsgranulatet med en specifik forbindelse - malein-itakoniske polymerer (MIP'er) - ville hjælpe med dette. Tidligere undersøgelser havde argumenteret for, at det ikke havde en effekt.

Det de fandt var, at ved nogle niveauer af jordens surhedsgrad, deres forbindelse var god til at bremse urease. De fandt ud af, at deres sammensætning sammenlignede godt med en anden, der blev brugt til dette formål, N-(n-butyl)-thiophosphortriamid (NBPT). Imidlertid, denne anden forbindelse har vist sig at have nogle negative virkninger på afgrøder udover at blive inkorporeret i planter og jordorganismer.

Forskningsresultaterne tyder på, at landmænd kan have et valg, afhængig af deres jords surhedsgrad.

"For landmænd, der allerede bruger den forbindelse, vi testede, denne undersøgelse fortæller dem, hvorfor kemikaliet er effektivt, " siger Ciurli. "De, der er blevet frarådet at bruge det, fordi de ikke troede, det virkede, kan nu udforske fordelene ved det sammenlignet med andre kemikalier, der er tilgængelige på markedet."

Hvad forhindrer planterne i at kunne optage urinstoffet i første omgang? Hvad gør et næringsstof utilgængeligt for planten?

"Planter kan kun optage næringsstoffer gennem deres rødder, hvis kemikaliet er opløseligt i vandet i jorden, " Ciurli forklarer. "Planter har ikke tænder til at tygge på jord; de har kun rødder, der næsten passivt kan absorbere det, der 'kommer forbi' dem."

I jorden, der kan være mange former for nitrogen. Nogle er gasser og går let tabt i luften. Andre i jorden kan være "klæbrige" eller ikke klæbrige. Dem der ikke er klistrede, såsom nitrater, optages let af planter, men skylles også nemt væk fra jorden i floder og søer. Deres overflod der kan føre til algeopblomstring og døde zoner.

Ciurli siger, at et af de næste trin i deres forskning er at udføre lignende undersøgelser i jorden, da denne undersøgelse blev udført i laboratoriet.

Arbejdet har implikationer for planter såvel som Ciurlis andre passion, lægemidler til metalbaserede biologiske mål.

"Viden om, hvordan urease virker, på molekylært/atomært niveau, er et første skridt til at udvikle ureasehæmmere til både landbrugsapplikationer og også til medicinske problemer, " siger han. "Urease er den vigtigste virulensfaktor for en række mikroorganismer, der forårsager antibiotikaresistens, Kræft, tuberkulose, pest, og hjernesygdomme. At kende kemien af ​​dette enzym vil bidrage til den menneskelige races kamp for dens overlevelse på denne planet."