釩可以替代稀有金屬鉬完成固氮作用

普林斯頓大學、杜克大學和加拿大魁北克舍布魯克大學組成的科學家團隊發現,植物的固氮方式不止一種,當固氮所需稀有金屬鉬缺乏時,金屬釩可以代替其完成固氮工作。相關研究結果2019年11月11日發表於《美國科學院院刊》。

固氮作用圖片

氮是地球生物不可或缺的元素之一。氮氣是地球大氣中含量最多的氣體,占總體積的78%,氮元素是人體重要的組成元素之一,占比3%。但大多數生物不能直接利用大氣中的氮,而需要通過固氮作用將氮轉化為生物可以直接利用的氨。

固氮作用是分子態氮被還原成氨和其他含氮化合物的過程。自然界氮的固定有兩種方式:一種是非生物固氮,即通過閃電、高溫放電等固氮,這樣形成的氮化物很少;二是生物固氮,即分子態氮在生物體內還原為氨的過程。大氣中90%以上的分子態氮都是通過固氮微生物的作用被還原為氨的。

生物固氮迴圈示意圖

大自然中存在多種固氮微生物,這些微生物利用固氮酶催化氮還原為氨,進而轉化為含氮有機物。微生物固氮時使用了一種複雜的蛋白質叫做固氮酶,其中富含金屬,過去的研究聚焦於含有稀有金屬鉬的固氮酶。鉬不會以游離金屬的形式存在自然界,只以各種氧化態存在於礦物中。

鉬是一種稀有金屬,是不可再生的重要戰略資源,是發展高新技術、實現國家現代化、建設現代國防的重要基礎材料。因此,人們擔憂隨著自然資源的消耗,鉬的稀缺性將會影響貧瘠的土地難以再恢復肥沃,進而影響植物的種植與生長。

荷蘭烏特勒支大學科學家2018年7月發表在《資源保護和迴圈利用》期刊上的“鉬資源的消耗和保護”一文警告稱,地球上的鉬資源可能會在50至100年內耗盡。他在文章中指出,由於轉型零化石燃料能源生產必須要用到鉬,鉬的使用量無可避免會增加。尋找替代品、提高材料效率和減少耗損的空間有限,只有尾礦中的鉬損失可以減半。科學家說,要實現永續利用,鉬的回收率必須從目前的約20%增加到至少80%。

鉬礦圖片

普林斯頓大學、杜克大學和加拿大魁北克舍布魯克大學組成的科學家團隊發現了可以替代鉬完成固氮工作的另一種金屬——釩。科學家們在加拿大的北寒林中進行研究工作,發現金屬釩可以催化整個生態系統的固氮活動,尤其是在自然氮來源有限的北部地方。

普林斯頓大學研究第一作者、博士後科學家Romain Darnajoux表示,只有當環境鉬含量低時,才會發生釩基固氮。他介紹,每個氮迴圈步驟都涉及一種酶,這些酶需要特定的微量金屬才能發揮作用,到目前為止,相關研究一直集中在鉬和鐵上,釩基固氮酶幾乎沒有被注意到。而當環境變化時,自然界似乎演化出備用方案來維持生態系統的肥力。 

研究資深作者、普林斯頓環境研究所地球科學助理教授張欣甯(音譯)介紹,這項研究改變了我們對微量營養素如何控制生態系統氮素狀況和肥力的認知。我們需要從養分預算、迴圈和生物多樣性方面更深入瞭解固氮作用。他指出,人類活動大幅改變了空氣品質,甚至可能顯著影響地處偏遠的生態系統。

研究結果顯示,目前透過固氮進入北寒林的氮估計值太低,這會低估植物生長所需的氮量。這是關於森林養分需求的重大發現。空氣污染會改變微量營養素和主要營養素動態,人類活動透過大氣中的氮和鉬、釩等金屬污染物的移動,會影響森林的肥力。

 

 

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