Los minerales descubren un nuevo papel en el ciclo del fósforo de la Tierra

Investigadores liderados por la Universidad Northwestern han descubierto una nueva forma en que la naturaleza recicla el fósforo, un hallazgo que descubre una pieza faltante del desconcertante ciclo del fósforo de la Tierra.

La investigación se publicará el jueves (18 de julio) en la revista Nature Communications.

Un nutriente crítico para el crecimiento de las plantas, el fósforo es un componente no negociable de los fertilizantes. Sin él, los agricultores no pueden garantizar la salud de las plantas y aumentar los rendimientos 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 los suelos, las plantas y los microbios necesitan fósforo inorgánico para estimular su propio crecimiento. En la forma orgánica, el fósforo está conectado a los átomos de carbono directa o indirectamente, utilizando oxígeno como puente. Entonces, las plantas y los microbios secretan enzimas para romper el enlace de carbono en el fósforo orgánico para generar fósforo inorgánico biodisponible.

Si bien la comprensión actual del ciclo del fósforo asume que solo las enzimas de las plantas y los microbios impulsan esta transformación, el nuevo estudio de Northwestern muestra que hay otra forma. El óxido de hierro, un mineral natural que se encuentra en los suelos y sedimentos, puede realizar la reacción que transforma el fósforo orgánico para generar la forma inorgánica. Sorprendentemente, los investigadores también encontraron que los minerales de óxido de hierro reciclan el fósforo a una velocidad similar a la reportada para las enzimas en los suelos.

“Actualmente, la principal fuente de fósforo para los fertilizantes es la minería”, dijo Ludmilla Aristilde de Northwestern, quien dirigió el trabajo. “Es un recurso finito del que eventualmente nos quedaremos sin él. Según algunas estimaciones, podríamos quedarnos sin él en tan solo 50 años o en un par de cientos de años. Estamos buscando formas de aprovechar las soluciones basadas en la naturaleza para el reciclaje del fósforo porque no podemos tener seguridad alimentaria sin él. Pero, antes de hacerlo, necesitamos entender los mecanismos subyacentes del reciclaje natural del fósforo. Descubrimos que los minerales desempeñan un papel importante, y anteriormente desconocido, en el proceso”.

Experta en la dinámica de los orgánicos en procesos ambientales, Aristilde es profesora asociada de ingeniería ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. También es miembro del Centro de Biología Sintética, Instituto Internacional de Nanotecnología y Instituto Paula M. Trienens para la Sostenibilidad y la Energía. Jade Basinski, estudiante de doctorado en el laboratorio de Aristilde, es la primera autora del artículo. Analeise Klein y Wiriya Thongsomboon, ex investigadores posdoctorales en el laboratorio, son autores colaboradores.

Mirando más allá de la biología

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

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

“Los hallazgos de los estudios de campo sobre la dinámica ambiental del fósforo sugirieron la necesidad de considerar mecanismos más allá de la biología para la transformación del fósforo orgánico en los sedimentos”, dijo Aristilde. “Mi grupo comenzó a observar los minerales, específicamente los óxidos de hierro, porque se sabe que pueden servir como catalizadores”.

El caso del fósforo perdido

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 múltiples experimentos y análisis, los investigadores encontraron productos de transformación de la reacción en la solución. Pero parte del fósforo inorgánico faltaba curiosamente.

Debido a que se sabe que el óxido de hierro atrapa el fósforo, el equipo quería examinar los minerales más de cerca. Para hacerlo, utilizaron una técnica de rayos X especializada en la Fuente de Luz de Sincrotrón de Stanford para resolver el misterio.

“Y he aquí, descubrimos que el fósforo se aferraba 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 la solución porque está pegado a la superficie. La técnica de rayos X nos permitió descubrir que una gran fracción del fósforo inorgánico recién generado estaba asociada con los óxidos de hierro”.

Perspectivas de otro mundo

El equipo de Aristilde luego midió cómo y cuánto fósforo inorgánico se produjo a partir de los nucleótidos. Los investigadores descubrieron que los minerales reciclan los fosfatos a una velocidad comparable a la biología.

“No esperábamos que las tasas fueran tan 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 solo ampliará la forma en que pensamos sobre cómo cicla el fósforo en nuestro planeta, sino que también puede brindar información sobre nuestros planetas vecinos.

“Marte es rojo porque está lleno de óxidos de hierro”, dijo Aristilde. “Si se encuentra que hay fósforo inorgánico atrapado en ellos, es razonable preguntarse: ‘¿Podría este fósforo tener un origen orgánico de la vida?’”

El estudio, “Descifrando los óxidos de hierro como catalizadores abióticos del reciclaje de fósforo orgánico en matrices de suelo y sedimentos”, fue apoyado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos (número de subvención DE-SC0021172).