Фосфор – основной строительный элемент всех живых организмов, входящий в состав ДНК и играющий решающую роль в процессе роста растений. Хотя в природе большая часть фосфора находится в органической форме, растения способны использовать только его неорганический вариант, что делает его доступность критически важной для сельского хозяйства.
Ранее считалось, что превращение органического фосфора в биоактивный неорганический вариант происходит исключительно под воздействием ферментов, выделяемых растениями и микроорганизмами. Новейшие исследования свидетельствуют о том, что природные железные оксиды способны ускорять этот процесс с эффективностью, сравнимой с ферментативными реакциями.
Согласно опубликованному сегодня в журнале Environmental Science & Technology исследованию, проведённому учёными Северо-Западного университета, железные оксиды, такие как гетит, гемати́т и феррихидрит, действуют как «каталитические ловушки». Ассоциированный профессор Людмила Аристиль и аспирантка Джейд Басински вместе с коллегами использовали передовые аналитические методики для изучения взаимодействия различных рибонуклеотидов с упомянутыми минералами.
Механизм действия основан на том, что положительный заряд железных оксидов притягивает отрицательно заряженные фосфатные соединения, заставляя их оставаться на поверхности минералов. В ходе реакции железные оксиды не только способствуют расщеплению органических соединений, но и захватывают образующийся фосфат, что значительно увеличивает скорость превращения фосфора в форму, доступную для растений. «Фосфор жизненно необходим для всех форм жизни... Основа ДНК включает фосфат. Таким образом, все живые организмы, включая человека, зависят от фосфора для процветания», – говорится в одном из заявлений Людмилы Аристиль.
Особенности каталитической активности различных железных оксидов проявляются в их специфическом взаимодействии с рибонуклеотидами. Гетит отличается высокой эффективностью при работе с молекулами, содержащими три атома фосфора, однако не удерживает весь образующийся фосфат. Напротив, гемати́т, распространённый в почвах Среднего Запада США, и феррихидрит обладают способностью захватывать продукт реакции на своей поверхности, что делает их более надёжными для обеспечения доступности фосфора.
«Железные оксиды задерживают фосфор благодаря различию зарядов... В предыдущем исследовании мы показали, что железные оксиды способны выступать в роли катализатора для расщепления фосфора. Далее мы хотели понять, сколько они могут расщепить и как быстро», – отмечает Людмила Аристиль, подчёркивая потенциал данного процесса для переработки органического фосфора.
Предстоят дальнейшие исследования, направленные на выяснение причин различий в каталитической эффективности между типами железных оксидов. Понимание минеральной специфики реакций позволит разработать синтетические катализаторы, способные оптимизировать превращение органического фосфора в неорганический, что является важным шагом для устойчивого развития сельского хозяйства в условиях ограниченных запасов фосфатных руд в США, Марокко и Китае.
Природный процесс катализа железными оксидами может служить основой для разработки инновационных технологий переработки фосфора, что, в свою очередь, поможет снизить удорожание удобрений и укрепить продовольственную безопасность. «Наша работа предоставляет основу для разработки синтетического катализатора, который поможет переработать фосфор и внесёт вклад в производство удобрений для обеспечения продовольственной безопасности», – заявляет Людмила Аристиль.
Углублённое изучение взаимодействия фосфора и железных оксидов открывает новые перспективы в агрохимии, позволяя перевести традиционные методы внесения удобрений на качественно новый уровень, что может оказать существенное влияние на будущее продовольственного обеспечения планеты.
Изображение носит иллюстративный характер
Ранее считалось, что превращение органического фосфора в биоактивный неорганический вариант происходит исключительно под воздействием ферментов, выделяемых растениями и микроорганизмами. Новейшие исследования свидетельствуют о том, что природные железные оксиды способны ускорять этот процесс с эффективностью, сравнимой с ферментативными реакциями.
Согласно опубликованному сегодня в журнале Environmental Science & Technology исследованию, проведённому учёными Северо-Западного университета, железные оксиды, такие как гетит, гемати́т и феррихидрит, действуют как «каталитические ловушки». Ассоциированный профессор Людмила Аристиль и аспирантка Джейд Басински вместе с коллегами использовали передовые аналитические методики для изучения взаимодействия различных рибонуклеотидов с упомянутыми минералами.
Механизм действия основан на том, что положительный заряд железных оксидов притягивает отрицательно заряженные фосфатные соединения, заставляя их оставаться на поверхности минералов. В ходе реакции железные оксиды не только способствуют расщеплению органических соединений, но и захватывают образующийся фосфат, что значительно увеличивает скорость превращения фосфора в форму, доступную для растений. «Фосфор жизненно необходим для всех форм жизни... Основа ДНК включает фосфат. Таким образом, все живые организмы, включая человека, зависят от фосфора для процветания», – говорится в одном из заявлений Людмилы Аристиль.
Особенности каталитической активности различных железных оксидов проявляются в их специфическом взаимодействии с рибонуклеотидами. Гетит отличается высокой эффективностью при работе с молекулами, содержащими три атома фосфора, однако не удерживает весь образующийся фосфат. Напротив, гемати́т, распространённый в почвах Среднего Запада США, и феррихидрит обладают способностью захватывать продукт реакции на своей поверхности, что делает их более надёжными для обеспечения доступности фосфора.
«Железные оксиды задерживают фосфор благодаря различию зарядов... В предыдущем исследовании мы показали, что железные оксиды способны выступать в роли катализатора для расщепления фосфора. Далее мы хотели понять, сколько они могут расщепить и как быстро», – отмечает Людмила Аристиль, подчёркивая потенциал данного процесса для переработки органического фосфора.
Предстоят дальнейшие исследования, направленные на выяснение причин различий в каталитической эффективности между типами железных оксидов. Понимание минеральной специфики реакций позволит разработать синтетические катализаторы, способные оптимизировать превращение органического фосфора в неорганический, что является важным шагом для устойчивого развития сельского хозяйства в условиях ограниченных запасов фосфатных руд в США, Марокко и Китае.
Природный процесс катализа железными оксидами может служить основой для разработки инновационных технологий переработки фосфора, что, в свою очередь, поможет снизить удорожание удобрений и укрепить продовольственную безопасность. «Наша работа предоставляет основу для разработки синтетического катализатора, который поможет переработать фосфор и внесёт вклад в производство удобрений для обеспечения продовольственной безопасности», – заявляет Людмила Аристиль.
Углублённое изучение взаимодействия фосфора и железных оксидов открывает новые перспективы в агрохимии, позволяя перевести традиционные методы внесения удобрений на качественно новый уровень, что может оказать существенное влияние на будущее продовольственного обеспечения планеты.
