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Pesquisadores liderados pela Universidade Northwestern descobriram uma nova maneira pela qual a natureza cicla o fósforo, uma descoberta que revela uma peça que faltava no intrigante ciclo do fósforo na Terra.
A pesquisa será publicada na quinta-feira (18 de julho) no periódico Comunicações da Natureza.
Um nutriente crítico para o crescimento das plantas, o fósforo é um componente não negociável dos fertilizantes. Sem ele, os agricultores não podem garantir a saúde das plantas e aumentar a produtividade das colheitas. Entender o ciclo do fósforo da Terra, portanto, é importante para proteger o suprimento global de alimentos.
Embora formas orgânicas de fósforo sejam abundantes em solos, plantas e micróbios precisam de fósforo inorgânico para estimular seu próprio crescimento. Na forma orgânica, o fósforo é conectado a átomos de carbono direta ou indiretamente, usando oxigênio como ponte. Então, plantas e micróbios secretam enzimas para quebrar a ligação de carbono no fósforo orgânico para gerar fósforo inorgânico biodisponível.
Embora a compreensão atual do ciclo do fósforo assuma que apenas enzimas de plantas e micróbios conduzem essa transformação, o novo estudo da Northwestern mostra que há outra maneira. O óxido de ferro, um mineral natural em solos e sedimentos, pode realizar a reação que transforma o fósforo orgânico para gerar a forma inorgânica. Surpreendentemente, os pesquisadores também descobriram que os minerais de óxido de ferro reciclam o fósforo a uma taxa semelhante à relatada para enzimas em solos.
“Atualmente, a principal fonte de fósforo para fertilizantes é a mineração”, disse Ludmilla Aristilde, da Northwestern, que liderou o trabalho. “É um recurso finito do qual eventualmente ficaremos sem. De acordo com algumas estimativas, podemos ficar sem em 50 anos ou em algumas centenas de anos. Estamos procurando maneiras de alavancar soluções baseadas na natureza para reciclagem de fósforo porque não podemos ter segurança alimentar sem ele. Mas, antes de fazermos isso, precisamos entender os mecanismos subjacentes da reciclagem natural de fósforo. Descobrimos que os minerais desempenham um papel importante, e até então desconhecido, no processo.”
Especialista na dinâmica de compostos orgânicos em processos ambientais, Aristilde é professora associada de engenharia ambiental na McCormick School of Engineering da Northwestern. Ela também é membro do Center for Synthetic Biology, do International Institute for Nanotechnology e do Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Jade Basinski, uma estudante de doutorado no laboratório de Aristilde, é a primeira autora do artigo. Analeise Klein e Wiriya Thongsomboon, ex-pesquisadoras de pós-doutorado no laboratório, são autoras contribuintes.
Olhando além da biologia
Quando a vegetação morta ou micróbios se decompõem no solo, eles deixam para trás uma série de nutrientes, incluindo DNA e RNA, que são classes importantes de fósforo orgânico. Micróbios e plantas vivas usam enzimas para clivar o fósforo dos nucleotídeos — componentes estruturais no DNA e RNA — na matéria orgânica em decomposição para torná-lo disponível como um nutriente reciclado. Até agora, a maioria dos pesquisadores presumia que usar enzimas era o único mecanismo da natureza para reciclar fósforo orgânico.
Aristilde e seus colaboradores, no entanto, decidiram explorar se outro mecanismo poderia estar em jogo.
“Descobertas de estudos de campo sobre a dinâmica ambiental do fósforo sugeriram considerar mecanismos além da biologia para a transformação do fósforo orgânico em sedimentos”, disse Aristilde. “Meu grupo começou a olhar para minerais, especificamente óxidos de ferro, porque eles são conhecidos por serem capazes de servir como catalisadores.”
O caso do fósforo desaparecido
Em experimentos de laboratório, Aristilde e sua equipe estudaram o destino do fósforo em solos e sedimentos contendo minerais de óxido de ferro. Após executar vários experimentos e análises, os pesquisadores encontraram produtos de transformação da reação na solução. Mas parte do fósforo inorgânico estava curiosamente ausente.
Como o óxido de ferro é conhecido por prender fósforo, a equipe queria examinar os minerais mais de perto. Para isso, eles usaram uma técnica especializada de raios X no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource para resolver o mistério.
“Eis que descobrimos que o fósforo estava grudado na superfície do óxido de ferro”, disse Aristilde. “Basicamente, os minerais podem reciclar fósforo de moléculas de DNA e RNA. Mas nem todo fósforo orgânico é liberado na solução porque ele está grudado na superfície. A técnica de raios X nos permitiu descobrir que uma grande fração do fósforo inorgânico recém-gerado estava associada a óxidos de ferro.”
Visões sobrenaturais
A equipe de Aristilde então mediu como — e quanto — fósforo inorgânico foi produzido a partir de nucleotídeos. Os pesquisadores descobriram que os minerais reciclam fosfatos a uma taxa comparável à da biologia.
“Não esperávamos que as taxas fossem tão comparáveis às relatadas para enzimas do solo”, disse Aristilde. “Isso muda a maneira como pensamos sobre como o fósforo é reciclado.”
As novas informações não apenas expandirão a maneira como pensamos sobre o ciclo do fósforo em nosso planeta, mas também podem fornecer insights sobre nossos planetas vizinhos.
“Marte é vermelho porque é cheio de óxidos de ferro”, disse Aristilde. “Se for encontrado fósforo inorgânico preso neles, é razoável perguntar: ‘Esse fósforo poderia ter uma origem orgânica da vida?’”
O estudo, “Desvendando óxidos de ferro como catalisadores abióticos da reciclagem de fósforo orgânico em matrizes de solo e sedimentos”, foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA (número do prêmio DE-SC0021172).
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