Хотя азот необходим для всех живых организмов - он составляет 3% человеческого тела - и составляет 78% атмосферы Земли, по иронии судьбы растениям и естественным системам почти невозможно получить к нему доступ.
Атмосферный азот не используется напрямую большинством живых существ. В природе специализированные микробы в почве и водоемах превращают азот в аммиак - важнейшую форму азота, к которой жизнь может легко получить доступ - посредством процесса, называемого фиксацией азота. В сельском хозяйстве можно сажать сою и другие бобовые культуры, способствующие фиксации азота, для восстановления плодородия почвы.
Дополнительным препятствием в процессе обеспечения азота растениями и экосистемами, которые зависят от него, является то, что микробные «закрепители» азота включают сложный белок, называемый нитрогеназой, который содержит богатое металлом ядро. Существующие исследования были сосредоточены на нитрогеназах, содержащих определенный металл, молибден.
Чрезвычайно небольшое количество молибдена, обнаруженного в почве, вызывает обеспокоенность по поводу естественных пределов фиксации азота на суше. Ученые задались вопросом, какие ограничения дефицит молибдена накладывает на способность природы восстанавливать плодородие экосистем после антропогенных нарушений или по мере того, как люди все чаще ищут пахотные земли, чтобы прокормить растущее население.
Исследователи Принстонского университета обнаружили доказательства того, что другие металлы могут способствовать фиксации азота при дефиците молибдена, что позволяет предположить, что этот процесс может быть более устойчивым, чем считалось ранее, согласно исследованию, опубликованному в журнале Proceedings of the National Academy of Science. наук. Работая на 372-мильном (600-километровом) участке бореального леса в Канаде, исследователи обнаружили, что фиксация азота в масштабах экосистемы также может катализироваться металлическим ванадием, особенно в северных регионах с ограниченным естественным поступлением азота.
«Эта работа требует серьезного пересмотра нашего понимания того, как питательные микроэлементы контролируют азотный статус и плодородие экосистемы», - сказал старший автор Синьнин Чжан, доцент геолого-геофизических исследований Принстонского института окружающей среды.
«Нам нужно больше знать о том, как фиксация азота проявляется с точки зрения баланса питательных веществ, цикличности и биоразнообразия», - сказала она. «Одним из следствий этого вывода является то, что текущие оценки количества азота, поступающего в бореальные леса в результате фиксации, могут быть значительно занижены. углерод."
Первый автор Ромен Дарнажу, научный сотрудник с докторской степенью в исследовательской группе Чжана, объяснил, что результаты подтверждают давнюю гипотезу в научном сообществе о том, что существуют различные металлические варианты нитрогеназы, чтобы организмы могли справляться с изменениями доступности металлов.. Исследователи обнаружили, что фиксация азота на основе ванадия была существенной только тогда, когда уровень молибдена в окружающей среде был низким.
«Казалось бы, природа разработала резервные методы для поддержания плодородия экосистемы, когда окружающая среда изменчива», - сказал Дарнажу. «Каждый этап азотного цикла включает фермент, для работы которого требуются определенные микроэлементы. Молибден и железо, как правило, находятся в центре внимания научных исследований, потому что они считаются важными в азотфиксирующем ферменте нитрогеназе. Однако нитрогеназа на основе ванадия также существует, но вход азота этим ферментом, к сожалению, в значительной степени игнорируется».
Дарнажу и Чжан работали с Николя Магейном и Франсуа Лутцони в Университете Дьюка, а также с Мари Реноден и Жаном-Филиппом Белленже в Университете Шербрука в Квебеке.
Результаты исследователей показывают, что текущие оценки поступления азота в бореальные леса через фиксацию прискорбно низки, что занижает потребность в азоте для устойчивого роста растений, сказал Дарнажу. Бореальные леса помогают смягчить последствия изменения климата, выступая в качестве поглотителя антропогенного углерода. Хотя эти северные леса посещают не так много людей, как даже самый малонаселенный мегаполис, деятельность человека все же может оказывать серьезное воздействие на плодородие лесов из-за атмосферного переноса загрязнителей воздуха, насыщенных азотом и металлами, такими как молибден и ванадий.
«Деятельность человека, которая существенно меняет качество воздуха, может иметь далеко идущее влияние на то, как функционируют даже отдаленные экосистемы», - сказал Чжан. «Результаты подчеркивают важность загрязнения воздуха в изменении динамики питательных микроэлементов и макроэлементов. Поскольку воздух является глобальным достоянием, связь между циклами металлов и азота и загрязнением воздуха имеет некоторые интересные аспекты политики и управления."
Выводы исследователей могут помочь в разработке более точных климатических моделей, которые явно не содержат информации о молибдене или ванадии в моделировании глобального потока азота через землю, океан и атмосферу.
Важность связывания азота с помощью ванадия распространяется и на другие регионы высоких широт, и, скорее всего, на умеренные и тропические системы, говорят Дарнажу и Чжан. Порог количества молибдена, необходимого экосистеме для активации или деактивации фиксации азота ванадием, который они обнаружили в своем исследовании, был удивительно похож на потребность в молибдене для фиксации азота, обнаруженную для образцов, охватывающих различные биомы.
Исследователи продолжат поиск азотфиксации на основе ванадия в северных широтах. Они также обратили свои взоры на более близкие к дому районы, начав исследования динамики микро- и макроэлементов в лесах умеренного пояса в Нью-Джерси, и планируют распространить свою работу на тропические системы.
Документ «Молибденовый порог для активности альтернативной нитрогеназы ванадия в масштабах экосистемы в бореальных лесах» был опубликован Proceedings of the National Academy of Sciences онлайн до выхода в печать 11 ноября. Эта работа была поддержана Постдокторская стипендия в области наук о жизни от Фонда Саймонса, Совета по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады (грант RGPIN-2016-03660), Канадского кафедры исследований бореальной биогеохимии (CRC-950-230570) и Национального научного фонда по геобиологии. и награда за низкотемпературную геохимию (EAR-1631814), награда за измерение биоразнообразия (DEB-1046065) и награда за филогенетическую систематику (DEB-1556995).