Совершите путешествие в почву под полем урожая. Вы не найдете только грязь, воду и ползучих мурашек. Вы также найдете реакции, которые напомнят вам о школьной химической лаборатории.
Многие исследователи изучают реакции элементов и соединений в почве, особенно потому, что некоторые из них, такие как азот, необходимы растениям для роста. Азот часто добавляют в почву в качестве удобрения. Однако не весь добавленный азот может использоваться растениями.
Комплексная мочевина в настоящее время является самым популярным азотным удобрением для почвы. Это способ обеспечить растения азотом, необходимым им для роста. Хотя азот в мочевине не используется растениями напрямую, когда мочевина попадает в почву, она подвергается химической реакции, в результате которой образуется аммоний, богатое азотом соединение, которое, таким образом, становится доступным для питания растений. Катализатором, ответственным за эту реакцию, является фермент, называемый уреазой. Этот фермент вырабатывается микроорганизмами в почве.
Есть только одна проблема с уреазой: она работает слишком хорошо
«Реакции, которым подвергается мочевина, происходят слишком быстро из-за действия уреазы», - говорит Стефано Чиурли. Чюрли - профессор химии факультета фармации и биотехнологии Болонского университета, Италия. «Уреаза ускоряет образование азотсодержащих соединений, которые быстро рассеиваются в окружающей среде, а не поглощаются растениями».
Важно контролировать, насколько быстро уреаза ускоряет процесс, чтобы помочь растениям получать как можно больше азота. Обычно это делается путем изменения мочевинного удобрения для снижения активности уреазы. Чюрли и его команда изучают эти техники. Они стремились доказать, что покрытие гранул мочевины специальным соединением - малеиново-итаконовыми полимерами (MIP) - поможет в этом. Предыдущие исследования утверждали, что это не имело эффекта.
Они обнаружили, что при некоторых уровнях кислотности почвы их соединение эффективно замедляет уреазу. Они обнаружили, что их соединение хорошо сравнимо с другим, используемым для этой цели, триамидом N-(н-бутил)-тиофосфорной кислоты (NBPT). Однако было показано, что это второе соединение оказывает негативное воздействие на сельскохозяйственные культуры, помимо включения в растения и почвенные организмы.
Результаты исследования показывают, что у фермеров может быть выбор в зависимости от кислотности их почвы.
«Фермерам, которые уже используют протестированное нами соединение, это исследование объясняет, почему это химическое вещество эффективно», - говорит Чюрли. «Те, кому не рекомендовалось использовать его, потому что они не думали, что он работает, теперь могут изучить его преимущества по сравнению с другими химическими веществами, доступными на рынке."
Что вообще мешает растениям поглощать мочевину? Что делает питательные вещества недоступными для растения?
«Растения могут поглощать питательные вещества через свои корни только в том случае, если химическое вещество растворимо в воде, содержащейся в почве», - объясняет Чюрли. «У растений нет зубов, чтобы жевать землю; у них есть только корни, которые могут почти пассивно поглощать то, что к ним «приходит».
В почве может быть много форм азота. Некоторые из них являются газами и легко теряются в воздухе. Другие в почве могут быть «липкими» или не липкими. Те, которые не липкие, такие как нитраты, легко усваиваются растениями, но также легко вымываются из почвы в реки и озера. Их изобилие может привести к цветению водорослей и мертвым зонам.
Чюрли говорит, что одним из следующих шагов в их исследованиях является проведение аналогичных исследований в почве, поскольку это исследование было проведено в лаборатории.
Работа имеет значение для растений, а также для другой страсти Чюрли, фармацевтических препаратов для биологических мишеней на основе металлов.
«Знание того, как работает уреаза на молекулярном/атомном уровне, является первым шагом к разработке ингибиторов уреазы как для сельскохозяйственного применения, так и для медицинских целей», - говорит он. «Уреаза является ключевым фактором вирулентности для ряда микроорганизмов, вызывающих устойчивость к антибиотикам, рак, туберкулез, чуму и заболевания головного мозга. Знание химии этого фермента поможет человечеству в борьбе за выживание на этой планете».