Los minerales desempeñan un papel recientemente descubierto en el ciclo del fósforo de la Tierra

Investigadores dirigidos por la Universidad Northwestern han descubierto una nueva forma de ciclar el fósforo de la naturaleza, revelando una pieza faltante del confuso ciclo del fósforo de la Tierra.

La investigación aparece Comunicaciones de la naturaleza.

El fósforo, un nutriente fundamental para el crecimiento de las plantas, es un componente no negociable de los fertilizantes. Sin él, los agricultores no pueden garantizar la salud de las plantas ni aumentar el rendimiento de los cultivos. Por lo tanto, comprender el ciclo del fósforo de la Tierra es importante para proteger el suministro mundial de alimentos.

Aunque las formas orgánicas de fósforo abundan en el suelo, las plantas y los microorganismos necesitan fósforo inorgánico para promover su propio crecimiento. En forma orgánica, el fósforo está unido directa o indirectamente a átomos de carbono, utilizando oxígeno como puente. Por lo tanto, las plantas y los microorganismos secretan enzimas para romper el enlace de carbono en el fósforo orgánico y producir fósforo inorgánico biodisponible.

Si bien la comprensión actual del ciclo del fósforo supone que sólo las plantas y las enzimas microbianas llevan a cabo esta transformación, un nuevo estudio de Northwestern muestra que hay otra manera. El óxido de hierro, un mineral que se encuentra naturalmente en el suelo y los sedimentos, puede reaccionar para convertir el fósforo orgánico para producir la forma inorgánica. Sorprendentemente, los investigadores descubrieron que los minerales de óxido de hierro reciclaban el fósforo al mismo ritmo que las enzimas del suelo.

«Actualmente, la principal fuente de fósforo para fertilizantes proviene de la minería», dijo Ludmilla Aristilde, del Noroeste, quien dirigió el trabajo. «Es un recurso finito que eventualmente nos acabaremos. Según algunas estimaciones, podríamos agotarlo en 50 años o incluso en un par de cientos de años. Estamos buscando formas de aprovechar soluciones basadas en la naturaleza para el reciclaje de fósforo. No podemos tener seguridad alimentaria sin hacer eso, pero necesitamos comprender los mecanismos del reciclaje natural del fósforo. Los minerales juegan un papel importante y previamente desconocido en este proceso.

Aristilde es profesora asistente de ingeniería ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern y se especializa en la dinámica de organismos en procesos ecológicos. Es miembro del Centro de Biología Sintética, Instituto Internacional de Nanotecnología y Paula M. Trinance es miembro del Instituto de Sostenibilidad y Energía. Jade Basinski, Ph.D. Estudiante en el laboratorio de Aristilde, primer autor del artículo. Annalise Klein y Wiria Thongsomboon, ex investigadoras postdoctorales en el laboratorio, son autoras contribuyentes.

Mirando más allá de la biología

Cuando la vegetación muerta o los microorganismos se descomponen en el suelo, dejan una serie de nutrientes, incluidos ADN y ARN, clases importantes de fósforo orgánico. Los microbios y las plantas vivas utilizan enzimas para escindir el fósforo de los nucleótidos (las unidades estructurales del ADN y el ARN), haciendo que la materia orgánica en descomposición esté disponible como nutriente reciclado. Hasta ahora, la mayoría de los investigadores asumían que el único mecanismo de la naturaleza era utilizar enzimas para reciclar el fósforo orgánico.

Sin embargo, Aristilde y sus colaboradores decidieron explorar si podría estar en juego otro mecanismo.

«Los hallazgos de estudios de campo sobre la dinámica ecológica del fósforo sugieren considerar mecanismos más allá de la biología para la transformación del fósforo biológico en los sedimentos», dijo Aristild. «Mi grupo empezó a estudiar minerales, concretamente óxidos de hierro, porque se sabe que actúan como catalizadores».

Un caso de falta de fósforo

En experimentos de laboratorio, Aristilde y su equipo estudiaron el destino del fósforo en suelos y sedimentos que contienen minerales de óxido de hierro. Después de realizar muchos experimentos y análisis, los investigadores encontraron los productos de transformación de la reacción en solución. Pero curiosamente falta la parte de fósforo inorgánico.

Como se sabe que el óxido de hierro atrapa el fósforo, el equipo quería examinar los minerales más de cerca. Para hacerlo, utilizaron una técnica especial de rayos X en la fuente de luz de radiación sincrotrón de Stanford para resolver el misterio.

«He aquí, encontramos fósforo adherido a la superficie del óxido de hierro», dijo Aristilde. «Básicamente, los minerales pueden reciclar el fósforo de las moléculas de ADN y ARN. Pero no todo el fósforo orgánico se libera en solución porque se adhiere a la superficie. La técnica de rayos X nos permitió detectar una gran fracción del fósforo inorgánico recién producido asociado con óxidos de hierro «.

Ideas de otro mundo

Luego, el equipo de Aristilde midió cómo y cuánto fósforo inorgánico se produce a partir de nucleótidos. Los investigadores descubrieron que los minerales reciclan los fosfatos a un ritmo comparable al biológico.

«No esperábamos que las tasas fueran comparables a las reportadas para las enzimas del suelo», dijo Aristilde. «Cambia la forma en que pensamos sobre cómo se recicla el fósforo».

La nueva información no sólo amplía la forma en que pensamos sobre cómo circula el fósforo en nuestro planeta, sino que también proporciona información sobre nuestros planetas vecinos.

«Marte es rojo porque está lleno de óxidos de hierro», dijo Aristilde. «Si el fósforo inorgánico está atrapado en ellos, es razonable preguntarse: ‘¿Podría este fósforo tener una fuente orgánica procedente de la vida?’