钒可以替代稀有金属钼完成固氮作用

普林斯顿大学、杜克大学和加拿大魁北克舍布鲁克大学组成的科学家团队发现，植物的固氮方式不止一种，当固氮所需稀有金属钼缺乏时，金属钒可以代替其完成固氮工作。相关研究结果2019年11月11日发表于《美国科学院院刊》。

氮是地球生物不可或缺的元素之一。氮气是地球大气中含量最多的气体，占总体积的78%，氮元素是人体重要的组成元素之一，占比3%。但大多数生物不能直接利用大气中的氮，而需要通过固氮作用将氮转化为生物可以直接利用的氨。

固氮作用是分子态氮被还原成氨和其他含氮化合物的过程。自然界氮的固定有两种方式：一种是非生物固氮，即通过闪电、高温放电等固氮，这样形成的氮化物很少；二是生物固氮，即分子态氮在生物体内还原为氨的过程。大气中90%以上的分子态氮都是通过固氮微生物的作用被还原为氨的。

大自然中存在多种固氮微生物，这些微生物利用固氮酶催化氮还原为氨，进而转化为含氮有机物。微生物固氮时使用了一种复杂的蛋白质叫做固氮酶，其中富含金属，过去的研究聚焦于含有稀有金属钼的固氮酶。钼不会以游离金属的形式存在自然界，只以各种氧化态存在于矿物中。

钼是一种稀有金属，是不可再生的重要战略资源，是发展高新技术、实现国家现代化、建设现代国防的重要基础材料。因此，人们担忧随着自然资源的消耗，钼的稀缺性将会影响贫瘠的土地难以再恢复肥沃，进而影响植物的种植与生长。

荷兰乌特勒支大学科学家2018年7月发表在《资源保护和循环利用》期刊上的“钼资源的消耗和保护”一文警告称，地球上的钼资源可能会在50至100年内耗尽。他在文章中指出，由于转型零化石燃料能源生产必须要用到钼，钼的使用量无可避免会增加。寻找替代品、提高材料效率和减少耗损的空间有限，只有尾矿中的钼损失可以减半。科学家说，要实现永续利用，钼的回收率必须从目前的约20%增加到至少80%。

普林斯顿大学、杜克大学和加拿大魁北克舍布鲁克大学组成的科学家团队发现了可以替代钼完成固氮工作的另一种金属——钒。科学家们在加拿大的北寒林中进行研究工作，发现金属钒可以催化整个生态系统的固氮活动，尤其是在自然氮来源有限的北部地区。

普林斯顿大学研究第一作者、博士后科学家Romain Darnajoux表示，只有当环境钼含量低时，才会发生钒基固氮。他介绍，每个氮循环步骤都涉及一种酶，这些酶需要特定的微量金属才能发挥作用，到目前为止，相关研究一直集中在钼和铁上，钒基固氮酶几乎没有被注意到。而当环境变化时，自然界似乎演化出备用方案来维持生态系统的肥力。 

研究资深作者、普林斯顿环境研究所地球科学助理教授张欣宁（音译）介绍，这项研究改变了我们对微量营养素如何控制生态系统氮素状况和肥力的认知。我们需要从养分预算、循环和生物多样性方面更深入了解固氮作用。他指出，人类活动大幅改变了空气质量，甚至可能显著影响地处偏远的生态系统。

研究结果显示，目前透过固氮进入北寒林的氮估计值太低，这会低估植物生长所需的氮量。这是关于森林养分需求的重大发现。空气污染会改变微量营养素和主要营养素动态，人类活动透过大气中的氮和钼、钒等金属污染物的移动，会影响森林的肥力。

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